Суперконденсаторы: принцип работы и применение

Что такое суперконденсатор

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора очень высокой ёмкостью. Энергия накапливается с помощью статического заряда, в отличие от электрохимической реакции. При приложении разности потенциалов между положительной и отрицательной пластинами конденсатор заряжается, подобно накоплению электрического заряда во время ходьбы по ковру.

Типы конденсаторов

Существует три основных типа конденсаторов:

Фарад — единица измерения ёмкости, названная в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867). Один фарад хранит один кулон электрического заряда при приложении напряжения в один вольт. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а один пикофарад также в миллион раз меньше микрофарада.

История развития

Инженеры General Electric впервые экспериментировали с ранней версией суперконденсатора в 1957 году, но тогда еще не было известных коммерческих применений. В 1966 году Standard Oil случайно переоткрыла эффект двухслойного конденсатора во время работы над экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двойной слой значительно улучшил способность накапливать энергию. Компания не коммерциализировала изобретение и лицензировала его NEC, которая в 1978 году продвигала эту технологию как «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера. Только в 1990-х годах прогресс в материалах и методах производства привел к улучшению производительности и снижению стоимости.

Технологические особенности

Суперконденсатор эволюционировал и переходит в технологию аккумуляторов благодаря использованию специальных электродов и электролита. В то время как базовый электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического воздействия, асимметричный электрохимический двухслойный конденсатор (AEDLC) использует электроды, подобные батарейкам, для получения более высокой плотности энергии, но это имеет более короткий срок службы и другие нагрузки, общие с батареей. Графеновые электроды обещают улучшение суперконденсаторов и батарей, но такие разработки произойдут только через 15 лет.

Было испробовано несколько типов электродов, и самые распространенные сегодня системы построены на электрохимическом двухслойном конденсаторе на основе углерода, с органическим электролитом и просты в изготовлении.

Ограничения и характеристики

Все конденсаторы имеют ограничения по напряжению. Хотя электростатический конденсатор можно рассчитать на высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2,7 В. Напряжение 2,8 В и выше возможно, но с сокращенным сроком службы. Чтобы получить более высокое напряжение, несколько суперконденсаторов соединяют последовательно. Последовательное соединение уменьшает общую ёмкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Цепи из более чем трех конденсаторов требуют балансировки напряжения, чтобы предотвратить перенапряжение любого элемента. Литий-ионные аккумуляторы имеют подобную схему защиты.

Характеристики напряжения и тока 

Удельная энергия суперконденсатора колеблется от 1 Вт·ч/кг до 30 Вт·ч/кг, что в 10–50 раз меньше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Кривая разряда является еще одним недостатком. В то время как электрохимический аккумулятор обеспечивает стабильное напряжение в диапазоне полезной мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается линейно, уменьшая спектр полезной мощности.

Возьмем источник питания 6 В, которому разрешено разряжаться до 4,5 В, прежде чем оборудование отключится. К моменту достижения суперконденсатором этого порога напряжения линейный разряд обеспечивает лишь 44% энергии; остальные 56% резервируются. Дополнительный преобразователь постоянного тока помогает восстановить энергию, находящуюся в диапазоне низкого напряжения, но это увеличивает расходы и приводит к потерям. Аккумулятор с плоской кривой разряда, для сравнения, обеспечивает от 90 до 95 процентов своего запаса энергии, прежде чем достигнет порога напряжения.

На рисунках 1 и 2 показаны характеристики напряжения и тока во время заряда и разряда суперконденсатора. Во время заряда напряжение линейно растет, а ток по умолчанию падает, когда конденсатор полон, без необходимости использования схемы обнаружения полного заряда. Это относится к источнику постоянного тока и ограничению напряжения, что подходит для номинального напряжения конденсатора; превышение напряжения может повредить конденсатор.

Рисунок 1: Профиль заряда суперконденсатора.
Напряжение линейно возрастает во время заряда постоянным током. Когда конденсатор полностью заряжен, ток по умолчанию падает

Рисунок 2: Профиль разряда суперконденсатора.
Напряжение линейно падает во время разряда. Дополнительный преобразователь постоянного тока поддерживает уровень мощности, потребляя больший ток при снижении напряжения.

Время зарядки суперконденсатора составляет 1–10 секунд. Характеристика заряда подобна электрохимической батарее, а ток заряда в значительной степени ограничен возможностями зарядного устройства по току. Начальный заряд может быть выполнен очень быстро, а максимальный заряд займет дополнительное время. Необходимо принять меры для ограничения пускового тока при зарядке пустого суперконденсатора, поскольку он поглотит всю ёмкость, которую может исчерпать. Суперконденсатор не склонен к перезарядке и не требует обнаружения полного заряда; ток просто прекращает течь, когда он полностью заряжен.

В таблице 3 сравнивается суперконденсатор с типичным литий-ионным аккумулятором.

Суперконденсатор можно заряжать и разряжать практически неограниченное количество раз. В отличие от электрохимической батареи, которая имеет определенный срок службы, циклическая зарядка/разрядка суперконденсатора приводит к незначительному износу. Старение также более щадяще влияет на суперконденсатор, чем на батарею. При нормальных условиях ёмкость суперконденсатора уменьшается со 100% до 80% за 10 лет. Применение напряжения выше указанного сокращает срок службы. Суперконденсатор прощает как высокие, так и низкие температуры, что является преимуществом, которое батареи не могут одинаково хорошо реализовать.

Саморазряд суперконденсатора значительно выше, чем у электростатического конденсатора, и несколько выше, чем у электрохимического аккумулятора; этому способствует органический электролит. Суперконденсатор разряжается от 100 до 50 процентов за 30-40 дней. Свинцовые и литиевые аккумуляторы, для сравнения, саморазряжаются примерно на 5 процентов в месяц

Суперконденсатор против аккумулятора

Сравнение суперконденсатора с батареей имеет свои преимущества, но полагание на сходство мешает более глубокому пониманию этого особого устройства. Вот уникальные различия между батареей и суперконденсатором.

Химический состав батареи определяет рабочее напряжение; заряд и разряд – это электрохимические реакции. Для сравнения, конденсатор не является электрохимическим, а максимально допустимое напряжение определяется типом диэлектрического материала, используемого в качестве разделителя между пластинами. Наличие электролита в некоторых конденсаторах увеличивает ёмкость, и это может привести к путанице.

Поскольку суперконденсатор не является химическим, напряжение может свободно расти, пока диэлектрик не выйдет из строя. Часто это происходит в виде короткого замыкания. Избегайте превышения указанного напряжения.

Применение

Суперконденсатор часто неправильно понимают; это не замена батареи для долговременного хранения энергии. Если, например, время зарядки и разрядки превышает 60 секунд, используйте батарею; если короче, то суперконденсатор становится экономичным.

Суперконденсаторы идеально подходят, когда требуется быстрая зарядка для удовлетворения кратковременной потребности в энергии; тогда как аккумуляторы выбираются для обеспечения долговременной энергии. Сочетание этих двух элементов в гибридный аккумулятор удовлетворяет обе потребности и уменьшает нагрузку на аккумулятор, что отражается на более длительном сроке службы. Такие аккумуляторы сегодня выпускаются в семействе свинцово-кислотных аккумуляторов.

Зарядные устройства Victron Energy

Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы

Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.

Купить

Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15

Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.

Купить

Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.

Купить

Посмотреть больше

Суперконденсаторы являются наиболее эффективными для преодоления перебоев в подаче энергии продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут и могут быстро заряжаться. Маховик предлагает аналогичные качества, и применением, где суперконденсатор конкурирует с маховиком, является испытание железной дороги Лонг-Айленда (LIRR) в Нью-Йорке. LIRR является одной из самых загруженных железных дорог в Северной Америке.

Чтобы предотвратить просадки напряжения во время разгона поезда и уменьшить пиковое потребление мощности, в Нью-Йорке тестируют 2-мегаваттный суперконденсаторный блок по сравнению с маховиками, выдающими 2,5 мегаватт мощности. Обе системы должны обеспечивать непрерывную подачу энергии в течение 30 секунд при соответствующей мегаваттной мощности и полностью заряжаться за то же время. Цель состоит в том, чтобы достичь регулирования в пределах 10 процентов от номинального напряжения; обе системы должны иметь низкие эксплуатационные расходы и служить 20 лет. (Власти считают, что маховики являются более прочными и энергоэффективными для этого применения, чем аккумуляторы. Время покажет.)

Япония также использует большие суперконденсаторы. Системы мощностью 4 МВт устанавливаются в коммерческих зданиях для уменьшения потребления электроэнергии в часы пиковой нагрузки и облегчения нагрузки. Другие способы применения заключаются в запуске резервных генераторов во время отключений электроэнергии и обеспечении питанием до стабилизации переключения.

Суперконденсаторы также сделали решающий прорыв в электрических силовых агрегатах. Преимущество сверхбыстрой зарядки во время рекуперативного торможения и подачи высокого тока при разгоне делает суперконденсатор идеальным для усиления пиковой нагрузки гибридных автомобилей, а также для топливных элементов. Его широкий температурный диапазон и длительный срок службы дают преимущество над аккумуляторными батареями.

Суперконденсаторы имеют низкую удельную энергию и дороги с точки зрения стоимости на ватт. Некоторые инженеры-конструкторы утверждают, что деньги на суперконденсатор было бы лучше потратить на более крупный аккумулятор. В таблице 4 подытожены преимущества и ограничения суперконденсатора.