Wprowadzenie do superkondensatorów

Kondensator to dwuzaciskowy element bierny, który jest szeroko stosowany w elektronice. Niemal każdy obwód, który znajdziemy w elektronice, wykorzystuje jeden lub więcej kondensatorów do różnych zastosowań. Kondensatory są po rezystorach najczęściej używanym elementem elektronicznym. Mają specjalną zdolność magazynowania energii. Na rynku dostępne są różne typy kondensatorów, ale jeden, który ostatnio zyskuje na popularności i obiecuje wymianę lub alternatywę baterii w przyszłości, to superkondensatory lub znane również jako ultrakondensatory.. Superkondensator to nic innego jak kondensator o dużej pojemności z wartościami pojemności znacznie wyższymi niż zwykłe kondensatory, ale niższymi granicami napięcia. Może przechowywać 10 do 100 razy więcej energii na jednostkę objętości lub masy niż kondensatory elektrolityczne, może odbierać i dostarczać ładunek znacznie szybciej niż baterie i tolerują więcej cykli ładowania i rozładowania niż akumulatory.

Superkondensatory lub ultrakondensatory to nowa technologia magazynowania energii, która jest intensywnie rozwijana w dzisiejszych czasach. Superkondensatory zapewniają znaczne korzyści przemysłowe i ekonomiczne

Pojemność kondensatora jest mierzona w faradzie (F), np. 1 uF (mikrofarada), 1 mF (milifarad). Jednak, podczas gdy kondensatory o niższej wartości są dość powszechne w elektronice, dostępne są również kondensatory o bardzo dużej wartości, które przechowują energię w znacznie większej gęstości i są dostępne w bardzo wysokiej wartości pojemności, prawdopodobnie w zakresie Farada.

Na powyższym obrazie pokazano lokalnie dostępny obraz superkondensatora 2,7 V 1Farad. Napięcie znamionowe jest znacznie niższe, ale pojemność powyższego kondensatora jest dość wysoka.

Zalety super-kondensatora lub ultra-kondensatora

Zapotrzebowanie na superkondensatory rośnie z dnia na dzień. Głównym powodem szybkiego rozwoju i popytu jest wiele innych zalet superkondensatorów, kilka z nich podano poniżej:

• Zapewnia bardzo dobrą żywotność ok. 1 miliona cykli ładowania.
• Temperatura pracy wynosi od -50 stopni do prawie 70 stopni, co sprawia, że ​​nadaje się do zastosowań konsumenckich.
• Wysoka gęstość mocy do 50 razy, którą osiągają baterie.
• Szkodliwe materiały, toksyczne metale nie są częścią procesu produkcyjnego superkondensatorów ani ultrakondensatorów, dzięki czemu są certyfikowane jako element jednorazowego użytku.
• Jest bardziej wydajny niż baterie.
• Nie wymaga konserwacji w porównaniu z akumulatorami.

Superkondensatory magazynują energię w swoim polu elektrycznym, ale w przypadku baterii wykorzystują związki chemiczne do magazynowania energii. Ponadto, ze względu na zdolność szybkiego ładowania i rozładowywania, superkondensatory powoli wchodzą na rynek akumulatorów. Niski opór wewnętrzny przy bardzo wysokiej wydajności, brak kosztów konserwacji, dłuższe okresy eksploatacji są głównym powodem wysokiego popytu na rynku nowoczesnych źródeł zasilania.

Energie w kondensatorze

A energii kondensator przechowywać w postaci Q = C x V. Q oznacza ładunek w kulombach, C oznacza pojemność w faradach, a V oznacza napięcie w woltach. Tak więc, jeśli zwiększymy pojemność, zmagazynowana energia Q również wzrośnie.

Jednostką pojemności jest Farad (F), którego nazwa pochodzi od imienia M. Faradaya. Farad jest jednostką pojemności w odniesieniu do kulombów / woltów. Jeśli powiemy, że kondensator ma 1 farad, wytworzy on różnicę potencjałów 1 V między jego płytami w zależności od ładunku 1 kulomba.

1 Farad jest kondensatorem o bardzo dużej wartości, używanym jako ogólny element elektroniczny. W elektronice Generalnie używana jest pojemność mikrofarada do Pico farad. Mikrofarad jest oznaczany jako uF (1/1 000 000 Farad lub ^10-6 F), nano farad jako nF (1/1 000 000 000 lub ^10-9 F), a Pico farad jako pF (1/1 000 000 000 000 lub ^10-12 F)

Jeśli wartość staje się znacznie wyższa, na przykład mF do kilku Faradów (generalnie <10F), oznacza to, że kondensator może przechowywać znacznie więcej energii między swoimi płytami, ten kondensator nazywa się Ultra kondensatorem lub superkondensatorem.

Energia zgromadzona w kondensatorze wynosi E = ½ CV ² dżule. E to energia zmagazynowana w dżulach, C to pojemność w Faradzie, a V to różnica potencjałów między płytami.

Budowa

Superkondensator to urządzenie elektrochemiczne. Co ciekawe, nie zachodzą żadne reakcje chemiczne odpowiedzialne za magazynowanie energii elektrycznej, mają unikalną konstrukcję, z dużą płytką przewodzącą lub elektrodą, które są blisko usytuowane i mają bardzo małą powierzchnię. Jego konstrukcja jest taka sama jak kondensatora elektrolitycznego z elektrolitem płynnym lub mokrym pomiędzy elektrodami. Możesz dowiedzieć się więcej o różnych typach kondensatorów tutaj.

Superkondensator działa jak urządzenie elektrostatyczne, przechowując swoją energię elektryczną w postaci pola elektrycznego między elektrodami przewodzącymi.

Elektrody, czerwona i niebieska, są powlekane dwustronnie. Zwykle są wykonane z węgla grafitowego w postaci nanorurek lub żeli węglowych lub specjalnego rodzaju przewodzących węgli aktywnych.

Aby zablokować duży przepływ elektronów między elektrodami i przechodzenie jonu dodatniego, zastosowano porowatą membranę papierową. Papierowa membrana oddziela również elektrody. Jak widać na powyższym zdjęciu, porowata papierowa membrana jest umieszczona pośrodku, która jest koloru zielonego. Elektrody i separator papieru są impregnowane ciekłym elektrolitem. Folia aluminiowa służy jako kolektor prądu, który ustanawia połączenie elektryczne.

Płytka rozdzielająca i obszar płytek są odpowiedzialne za wartość pojemności kondensatora. Relację można oznaczyć jako

Gdzie Ɛ jest przenikalnością elektryczną materiału obecnego między płytami

A to obszar płyty

D to odległość między płytami

Tak więc w przypadku superkondensatora powierzchnia styku musi zostać zwiększona, ale istnieje ograniczenie. Nie możemy zwiększyć fizycznego kształtu ani rozmiaru kondensatora. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, stosuje się specjalny rodzaj elektrolitów w celu zwiększenia przewodności między płytami, zwiększając tym samym pojemność.

Superkondensatory zwane również kondensatorami dwuwarstwowymi. Jest ku temu powód. Bardzo mała separacja i duża powierzchnia dzięki zastosowaniu specjalnego elektrolitu, warstwa powierzchniowa jonów elektrolitycznych tworzy podwójną warstwę. Tworzy dwie konstrukcje kondensatorów, po jednej na każdej elektrodzie węglowej i nazwane kondensatorem dwuwarstwowym.

Te konstrukcje mają wadę. Napięcie na kondensatorze stało się bardzo niskie z powodu napięcia rozkładu elektrolitu. Napięcie w dużym stopniu zależy od materiału elektrolitu, materiał może ograniczać zdolność kondensatora do magazynowania energii elektrycznej. Tak więc, ze względu na niskie napięcie na zaciskach, superkondensator można połączyć szeregowo, aby przechowywać ładunek elektryczny na użytecznym poziomie napięcia. Z tego powodu superkondensator w szeregu wytwarza wyższe napięcie niż zwykle, a równolegle zwiększa się pojemność. Można to jasno zrozumieć dzięki poniższej technice konstrukcji macierzy superkondensatorów.

Konstrukcja macierzy superkondensatorów

Aby przechowywać ładunek przy użytecznym wymaganym napięciu, superkondensatory muszą być połączone szeregowo. Aby zwiększyć pojemność, należy je połączyć równolegle.

Zobaczmy konstrukcję tablicową superkondensatora.

Na powyższym obrazku napięcie ogniwa pojedynczego ogniwa lub kondensatora jest oznaczone jako Cv, podczas gdy pojemność pojedynczej komórki jest oznaczona jako Cc. Zakres napięcia superkondensatora wynosi od 1 V do 3 V, połączenia szeregowe zwiększają napięcie, a więcej kondensatorów równolegle zwiększa pojemność.

Jeśli utworzymy tablicę, napięcie w szeregu będzie

Całkowite napięcie = napięcie ogniwa (Cv) x liczba rzędów

A pojemność równoległa będzie

Całkowita pojemność = pojemność ogniwa (Cc) x (liczba kolumn / liczba rzędów)

Przykład

Musimy stworzyć zapasowe urządzenie magazynujące, a do tego potrzebny jest superkondensator 2,5F lub superkondensator o napięciu 6V.

Jeśli musimy stworzyć tablicę z kondensatorów 1F o napięciu 3V, to jaki będzie rozmiar tablicy i ilość kondensatorów?

Całkowite napięcie = napięcie ogniwa x numer wiersza Następnie numer wiersza = 6/3 Numer wiersza = 2

Oznacza to, że dwa kondensatory połączone szeregowo będą miały różnicę potencjałów 6 V.

Teraz pojemność, Całkowita pojemność = pojemność komórki x (numer kolumny / numer wiersza) Następnie liczba kolumn = (2,5 x 2) / 1

Potrzebujemy więc 2 rzędów i 5 kolumn.

Skonstruujmy tablicę,

Całkowita energia zmagazynowana w tablicy wynosi

Superkondensatory są dobre w magazynowaniu energii i tam, gdzie potrzebne jest szybkie ładowanie lub rozładowywanie. Jest szeroko stosowany jako urządzenie zapasowe, gdzie potrzebne jest zapasowe zasilanie lub szybkie rozładowanie. Są one dalej wykorzystywane w drukarkach, samochodach i różnych urządzeniach elektroniki użytkowej.