Ievads superkondensatoros

Kondensators ir divu termināļu pasīvā sastāvdaļa, ko plaši izmanto elektronikā. Gandrīz katrā elektronikas ķēdē mēs izmantojam vienu vai vairākus kondensatorus dažādiem lietojumiem. Kondensatori ir visbiežāk izmantotie elektronikas komponenti pēc rezistoriem. Viņiem ir īpaša spēja uzkrāt enerģiju. Tirgū ir pieejami dažāda veida kondensatori, taču tie, kas pēdējā laikā kļūst arvien populārāki un sola nomainīt vai aizstāt baterijas nākotnē, ir superkondensatori vai arī pazīstami kā ultrakondensatori. Superkondensators ir nekas cits kā lieljaudas kondensators, kura kapacitātes vērtības ir daudz augstākas nekā parastajiem kondensatoriem, bet ir zemākas sprieguma robežas. Tie var uzkrāt 10 līdz 100 reizes vairāk enerģijas uz tilpuma vai masas vienību nekā elektrolītiskie kondensatori, var saņemt un piegādāt uzlādi daudz ātrāk nekā akumulatorus un jāpieņem vairāk uzlādes-izlādes ciklu nekā atkārtoti uzlādējamās baterijas.

Superkondensatori vai ultrakondensatori ir jauna enerģijas uzkrāšanas tehnoloģija, kas mūsdienās ir ļoti attīstīta. Superkondensatori sniedz ievērojamus rūpnieciskus un ekonomiskus ieguvumus

Kondensatora kapacitāti mēra Faradā (F), piemēram,.1uF (mikrofarāds), 1mF (milifarads). Tomēr, lai gan zemākas vērtības kondensatori ir diezgan izplatīti elektronikā, ir pieejami arī ļoti augstas vērtības kondensatori, kas enerģiju uzkrāj daudz lielākā blīvumā un ir pieejami ļoti augstās kapacitātes vērtībā, iespējams, Faradā.

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīts lokāli pieejams 2,7 V, 1Farad superkondensatora attēls. Spriegums ir daudz zemāks, bet iepriekšminētā kondensatora kapacitāte ir diezgan augsta.

Super-kondensatora vai ultra-kondensatora priekšrocības

Superkondensatoru pieprasījums katru dienu pieaug. Galvenais straujas attīstības un pieprasījuma iemesls ir daudz citu Supercapacitors priekšrocību, daži no tiem ir norādīti zemāk:

• Tas nodrošina ļoti labu dzīves ilgumu aptuveni 1 miljons uzlādes ciklu.
• Darba temperatūra ir gandrīz no -50 grādiem līdz 70 grādiem, kas padara to piemērotu lietošanai patērētājiem.
• Liels jaudas blīvums līdz 50 reizēm, ko panāk ar baterijām.
• Kaitīgi materiāli, toksiski metāli nav daļa no Super kondensatoru vai Ultracapacitors ražošanas procesa, kas padara to sertificētu kā vienreizējās lietošanas sastāvdaļu.
• Tas ir efektīvāks nekā baterijas.
• Nav nepieciešama apkope, salīdzinot ar akumulatoriem.

Superkondensatori uzkrāj enerģiju tā elektriskajā laukā, bet bateriju gadījumā enerģijas uzkrāšanai izmanto ķīmiskos savienojumus. Tā kā superkondensatori ir ātri uzlādējami un izlādējami, tie lēnām nonāk akumulatoru tirgū. Zema iekšējā pretestība ar ļoti augstu efektivitāti, bez uzturēšanas izmaksām, ilgāks kalpošanas laiks ir galvenais iemesls tā lielajam pieprasījumam mūsdienu enerģijas avotu tirgū.

Enerģijas kondensatorā

Kondensators uzkrāj enerģijas Q = C x V formā. Q apzīmē Charge in Coulombs, C - kapacitāti Farads un V - spriegumu voltos. Tātad, palielinot kapacitāti, palielināsies arī uzkrātā enerģija Q.

Kapacitātes mērvienība ir Farads (F), kas nosaukts M. Faradeja vārdā. Farads ir kapacitātes mērvienība attiecībā uz kulonu / voltu. Ja mēs sakām kondensatoru ar 1 Faradu, tad tas radīs 1 voltu potenciāla starpību starp tā plāksnēm atkarībā no 1 kulona lādiņa.

1 Farad ir ļoti lielas vērtības kondensators, ko izmantot kā vispārēju elektronisku komponentu. Elektronikā parasti tiek izmantota mikroshēma līdz Pico farada kapacitāte. Mikrofaradu apzīmē kā uF (1/1 000 000 Faradu vai ^10-6 F), nano faradu kā nF (1/1 000 000 000 vai ^10-9 F) un Pico faradu kā pF (1/1 000 000 000 000 vai ^10-12 F).

Ja vērtība kļūst daudz lielāka, piemēram, mF dažiem Faradiem (parasti <10F), tas nozīmē, ka kondensators var turēt daudz vairāk enerģijas starp plāksnēm, šo kondensatoru sauc par Ultra kondensatoru vai superkondensatoru.

Kondensatorā uzkrātās enerģijas ir E = ½ CV ² džoulos. E ir uzkrātā enerģija džoulos, C ir kapacitāte Faradā un V ir potenciālo starpību starp plāksnēm.

Būvniecība

Superkondensators ir elektroķīmiska ierīce. Interesanti, ka nav ķīmisku reakciju, kas būtu atbildīgas par elektrisko enerģiju uzkrāšanu, tām ir unikāla konstrukcija ar lielu vadošu plāksni vai elektrodu, kas atrodas cieši kopā ar ļoti mazu virsmas laukumu. Tās konstrukcija ir tāda pati kā elektrolītiskajam kondensatoram ar šķidru vai mitru elektrolītu starp tā elektrodiem. Šeit varat uzzināt par dažāda veida kondensatoriem.

Superkondensators darbojas kā elektrostatiska ierīce, kas uzglabā savu elektrisko enerģiju kā elektrisko lauku starp vadošajiem elektrodiem.

Elektrodi, sarkanā un zilā krāsā, ir pārklāti ar abpusēju pārklājumu. Tie parasti ir izgatavoti no grafīta oglekļa oglekļa nanocaurulīšu vai želeju vai īpaša veida vadītspējīgu aktīvo ogļu veidā.

Lai bloķētu lielo elektronu plūsmu starp elektrodiem un pozitīvā jona nodošanu, tiek izmantota poraina papīra membrāna. Papīra membrāna atdala arī elektrodus. Kā redzams iepriekš redzamajā attēlā, porainā papīra membrāna atrodas zaļā krāsā pa vidu. Elektrodi un papīra separators ir piesūcināti ar šķidro elektrolītu. Alumīnija foliju izmanto kā strāvas savācēju, kas izveido elektrisko savienojumu.

Atdalīšanas plāksne un plākšņu laukums ir atbildīgi par kondensatora kapacitātes vērtību. Saistību var apzīmēt kā

Kur Ɛ ir materiāla caurlaidība starp plāksnēm

A ir plāksnes laukums

D ir atdalījums starp plāksnēm

Tātad superkondensatora gadījumā kontakta virsma ir jāpalielina, taču tam ir ierobežojums. Mēs nevaram palielināt kondensatora fizisko formu vai izmēru. Lai pārvarētu šo ierobežojumu, tiek izmantoti īpaša veida elektrolīti, lai palielinātu vadītspēju starp plāksnēm, tādējādi palielinot kapacitāti.

Superkondensatorus sauc arī par divslāņu kondensatoriem. Tam ir iemesls. Ļoti mazs atdalījums un liela virsmas laukums, izmantojot īpašu elektrolītu, elektrolītisko jonu virsmas slānis veido dubultu slāni. Tas rada divas kondensatora konstrukcijas, vienu pie katra oglekļa elektroda un nosauca par divslāņu kondensatoru.

Šīm konstrukcijām ir trūkums. Spriegums pāri kondensatoram kļuva ļoti zems elektrolīta sadalīšanās sprieguma dēļ. Spriegums ir ļoti atkarīgs no elektrolīta materiāla, materiāls var ierobežot kondensatora elektroenerģijas uzkrāšanas jaudu. Tātad, zemā spailes sprieguma dēļ superkondensatoru var savienot virknē, lai elektrisko lādiņu uzglabātu lietderīgā sprieguma līmenī. Sakarā ar to supakondensators sērijveidā rada lielāku spriegumu nekā parasti, un paralēli kapacitāte kļuva lielāka. To var skaidri saprast ar zemāk redzamo Supercapacitor Array Construction tehniku.

Supercapacitor Array konstrukcija

Lai uzglabātu lādiņu pie nepieciešamā vajadzīgā sprieguma, superkondensatori jāsavieno virknē. Lai palielinātu kapacitāti, tiem jābūt savienotiem paralēli.

Apskatīsim Supercapacitor masīva konstrukciju.

Iepriekš minētajā attēlā vienas šūnas vai kondensatora šūnas spriegums tiek apzīmēts kā Cv, bet vienas šūnas kapacitāte ir apzīmēta kā Cc. Superkondensatora sprieguma diapazons ir no 1V līdz 3V, sērijveida savienojumi palielina spriegumu un vairāk kondensatoru paralēli palielina kapacitāti.

Ja mēs izveidosim masīvu, virknes spriegums būs

Kopējais spriegums = šūnas spriegums (Cv) x rindu skaits

Un kapacitāte paralēli būs

Kopējā kapacitāte = šūnas kapacitāte (Cc) x (kolonnas / rindas skaits)

Piemērs

Mums ir jāizveido rezerves krātuves ierīce, un tam vajadzīgs 2,5 F super vai superkondensators ar 6V vērtējumu.

Ja mums ir jāizveido masīvs, izmantojot 1F kondensatorus ar 3V vērtējumu, tad kāds būs masīva izmērs un kondensatoru daudzums?

Kopējais spriegums = šūnas spriegums x rindas numurs Tad rindas numurs = 6/3 rindas numurs = 2

Nozīmē, ka diviem sērijveida kondensatoriem būs 6 V potenciāla starpība.

Tagad kapacitāte, Kopējā kapacitāte = šūnas kapacitāte x (kolonnas numurs / rindas numurs), pēc tam kolonnas numurs = (2,5 x 2) / 1

Tātad mums vajag 2 rindas un 5 kolonnu.

Konstruēsim masīvu,

Masīvā uzkrātā kopējā enerģija ir

Superkondensatori labi uzglabā enerģiju un ir nepieciešama ātra uzlāde vai izlāde. To plaši izmanto kā rezerves ierīces, kur nepieciešama rezerves barošana vai ātra izlāde. Tos tālāk izmanto printeros, automašīnās un dažādās dzeramās elektronikas ierīcēs.