Электрические двухслойные конденсаторы (суперконденсаторы)
Несмотря на их кажущееся сходство с аккумуляторами, конденсаторы на самом деле устроены и используются совершенно по-разному. Конденсатор — это накопитель энергии, который, в отличие от батареи, создает электрическое поле между двумя параллельными проводящими пластинами.
Когда электроны перемещаются от одной пластины к другой, они накапливают потенциальную энергию, которую можно направить для использования в соответствующей цепи. Накопление энергии известно как «зарядка», и конденсаторы обычно измеряются количеством, плотностью и скоростью их заряда.
Электрический двухслойный конденсатор или суперконденсатор, способен заряжать и хранить энергию с экспоненциально более высокой плотностью, чем стандартные конденсаторы.
Для сравнения, запас энергии типичного конденсатора измеряется в нано- или микрофарадах, в то время как суперконденсатор может быть оценен в фарадах.
Чтобы понять возникающие в результате различия в конструкции, применении и стоимости, может быть полезно взглянуть на некоторые отличительные характеристики электрического двухслойного конденсатора.
Конструкция суперконденсатора
Энергоемкость конденсатора определяется количеством накопленных зарядов и потенциалом зарядки между его пластинами. На потенциал заряда сильно влияет качество материала, через который может поддерживаться электрическое поле, также известного как «диэлектрик».
В электрическом двухслойном конденсаторе диэлектрик обычно подвешен в углеродном материале с большой площадью поверхности, что делает диэлектрическую среду исключительно тонкой.
Большая площадь поверхности в сочетании с узкой средой приводит к очень высокому потенциалу заряда или «емкости» в устройстве относительно небольшого размера; отсюда и термин «суперконденсатор».
Хотя слои в двухслойном конденсаторе электропроводны, они имеют несколько низкий допуск по напряжению (обычно не более одного вольта). Включение органического электролита может увеличить прием напряжения, как и соединение нескольких суперконденсаторов в последовательную матрицу.
Материал, используемый в диэлектрике, также может влиять на эффективность конденсатора. Активированный уголь, например, имеет гораздо большую площадь поверхности, чем алюминий, который традиционно используется в стандартных конденсаторах.
Постоянно ведутся исследования по разработке новых и более эффективных диэлектрических материалов.
Подходит ли суперконденсатор именно вам?
Производители, оценивающие различные варианты источников электропитания, должны изучить сильные и слабые стороны, характерные для двухслойного формата.
Коэффициент плотности энергии суперконденсатора обычно колеблется от 0,5 до 10 Втч / кг (номинальное напряжение относительно веса), что значительно выше, чем у стандартного конденсатора.
Хотя эта плотность энергии все еще относительно низка по сравнению с обычными батареями, такими как литий-ионная модель, плотность мощности суперконденсатора намного превышает уровень, предлагаемый его аналогами.
Плотность мощности зависит от скорости электрического заряда и разряда устройства, а это означает, что суперконденсаторы могут генерировать и распределять энергию быстрее, чем большинство аккумуляторов.
Кроме того, суперконденсаторы перестают заряжаться, когда достигается предел их емкости, что устраняет необходимость в блоках обнаружения для предотвращения перезарядки.
Помимо превосходной удельной мощности, суперконденсатор также имеет высокую эффективность цикла и может подвергаться миллионам циклов зарядки в течение своего срока службы.
Однако низкая плотность энергии и низкое допустимое напряжение ограничивают эффективность отдельного двухслойного конденсатора в качестве запоминающего устройства, если только он не подключен последовательно к группе конденсаторов.
Кроме того, метод линейного разряда суперконденсатора часто препятствует доставке полного заряда, что приводит к небольшим, но вредным потерям энергии. Аналогичную проблему вызывает высокая скорость саморазряда (потеря энергии из-за внутренних химических реакций).
Управление суперконденсаторами и электронное коммутационное оборудование также могут быть сложными и, как правило, требуют наличия рабочих со специальными навыками работы.
Где используются суперконденсаторы?
Хотя первоначально суперконденсаторы использовались в качестве пусковых устройств для танковых и железнодорожных двигателей, в настоящее время большинство суперконденсаторов используются в бытовой технике и портативных устройствах.
Тем не менее, существует растущий рынок для продукта в транспортной отрасли. Многие автомобильные компании используют двухслойные конденсаторы для защиты определенных электрических частей двигателя от колебаний напряжения.
Высокая скорость зарядки суперконденсаторов также делает их эффективными в тормозных механизмах общественного транспорта и переносных топливных элементах для электрических/гибридных транспортных средств.
Суперконденсаторы также служат в качестве резервных для первичных батарей, чтобы компенсировать кратковременные перебои в подаче электроэнергии или сгладить электрический ток. При установке параллельно клемме батареи суперконденсатор может увеличить мощность работающей батареи.
Это усовершенствование может повысить производительность в периоды повышенного спроса и помочь поддерживать стабильный уровень выходной мощности.
Будущее суперконденсаторов
В то время как современные суперконденсаторы имеют ограниченный диапазон применений, достижения в области дизайна могут в конечном итоге расширить полезность продукта.
Например, исследователи продолжают разрабатывать и экспериментировать с новыми формами диэлектрических материалов, такими как углеродные нанотрубки, полипиррол и титанат бария, которые могут улучшить емкость и плотность энергии.
Концепция объединения суперконденсаторов с альтернативными источниками энергии для замены автомобильных аккумуляторов приобрела популярность в рамках нынешнего «зеленого» движения, и несколько систем общественного транспорта провели пилотные испытания автобусов и поездов, работающих на конденсаторах.
Если эти и другие разработки дадут успешные результаты, двухслойный электрический конденсатор может стать более функциональным и занять более важное место в энергетической отрасли.
Суперконденсаторы
