Как устроен суперконденсатор. Cуперконденсатор вместо аккумулятора: полноценная альтернатива литий-ионных батарей

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности - гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой - электролит, а изоляцией между обкладками - окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии - с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае - емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Накапливаемая энергия

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

где C - емкость, выраженная в фарадах, U - напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

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.

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.

Алексей Васильев

Идея конденсатора большой удельной емкости осваивалась еще в 1960-х годах, но сегодня отмечается новая волна повышенного интереса к данной технологии, что обусловлено уникальным сочетание эксплуатационных свойств конечного продукта. В наши дни на базе этой технологии выпускаются различные модификации ионисторов и ультраконденсаторов, которые вполне могут рассматриваться в качестве полноценного силового аккумулятора. Концепты суперконденсатора, фото с примером которого представлено ниже, говорят о том, что их будущая конкуренция с привычными аккумуляторными блоками (АКБ) не так уже и фантастична.

Что такое суперконденсатор?

В сущности, это оптимизированная электрохимическая батарея, выполненная в виде компактного конденсатора. Даже при беглом сравнении устройства с типовым аккумулятором для автомобиля можно выделить очевидную разницу в габаритах, а на практике эксплуатации также выйдут на поверхность преимущества в виде более высокого срока службы и мощности. Иными словами, суперконденсаторы вместо аккумуляторов вполне могут применяться, хотя и с некоторыми оговорками, обусловленными ограничениями в плане накопления энергетического потенциала. Подобные нюансы пока еще имеют место по причине несовершенства технологического развития ионисторов, однако ситуация меняется под давлением рынка с его растущими требованиями к элементам питания.

Устройство и конструкция изделия

Основу данного конденсатора образуют два электрода, между которыми традиционно размещается электролитическая среда. Отличия от аккумулятора можно наблюдать в структуре материалов для изготовления электродов, пластины которых покрываются пористым активированным углем. Что касается электролита, то в этом качестве могут применяться органические и неорганические смеси. Конструкционно выделяется и техническое решение изоляции в структуре суперконденсаторов. Вместо аккумуляторных алюминиевых обкладок с диэлектрической прослойкой применяются компоненты с оптимальными свойствами ионной и электронной проводимости. Если продолжать концепцию возможного использования суперконденсатора в качестве аккумулятора, то электронным проводником вполне мог бы выступить пористый углерод, а ионным - раствор серной кислоты. Таким образом может обеспечиваться оптимальный слой разграничения зарядов между электродами без дополнительного включения громоздких изоляторов.

Разновидности суперконденсатора

Уже сегодня можно выделить несколько направлений в разработке ионисторов. Наиболее заметны и перспективны следующие разновидности устройства:

• Двойнослойные конденсаторы. Стандартная модель, при которой используются упомянутые выше электроды из электропроводящего материала, а в качестве электролита применяется специальный сепаратор. Накопление энергетического потенциала происходит в результате разделения заряда на электродах.
• Псевдоконденсаторы. Перезаряжаемый аккумулятор из суперконденсатора данного типа может стать весьма успешным решением, поскольку в данном случае предполагаются более развитые способы сохранения энергии. Во-первых, задействуется принцип фарадеевского механизма, связанного с процессами аккумуляции энергии в обычных батареях. А во-вторых, сохраняется и базовая схема электростатического взаимодействия между электродами в двойном электрическом слое.
• Гибридные конденсаторы. Промежуточная концепция, объединяющая отдельные положительные черты аккумуляторов и конденсаторов. В таких устройствах обычно используют сочетание электродов, выполненных из смешанных оксидов и допированных полимеров. Дальнейшее развитие этого направления связывают с применением композитных материалов, дополненных углеродными носителями и проводящими полимерами.

Основные характеристики

На сегодняшний день сложно говорить об устоявшихся эксплуатационных показателях ионисторов, поскольку технология постоянно совершенствуется, причем с поправкой на улучшение и электрохимических источников тока. Но если брать средние данные по основным характеристикам суперконденсаторов, то конкретные показатели будут выглядеть так:

• Время зарядки - от 1 до 10 сек.
• Количество циклов зарядки - порядка 1 млн, что соответствует 30 000 ч.
• Напряжение в ячейке блока - диапазон от 2,3 до 2,75 В.
• Энергоемкость - стандартное значение 5 Вт*ч/кг.
• Мощность - порядка 10 000 Вт/кг.
• Долговечность - до 15 лет.
• Рабочая температура - от -40 °С до 65 °С.

Сравнение с обычными АКБ

Основные отличительные параметры заключаются в скорости накапливания энергии и степени отдачи электрического заряда. За счет использования двойного слоя электрического потенциала у суперконденсатора при схожих размерах повышается площадь рабочей поверхности электродов. То есть можно говорить о совмещении лучших свойств АКБ и конденсатора как такового. Если же сравнивать распределение токов аккумулятора и суперконденсатора на нагрузку, то равномерность объемов потребляемого тока будет в целом идентичной, но с двумя поправками. При эксплуатации АКБ возможно смещение наибольшего тока в сторону элемента, расположенного в нижней части блока, а в случае с ионисторами в принципе потенциал будет меньше из-за низкого напряжения. Также к существенным различиям можно отнести разницу в рабочем ресурсе - суперконденсаторы примерно на 25-30 % служат дольше по времени, не говоря о более высоком коэффициенте выполнимых рабочих циклов.

Преимущества эксплуатации суперконденсаторов

Если в целом рассматривать положительные эффекты от использования суперконденсаторов вместо аккумуляторов, то на первый план выйдут следующие качества:

• Высокая плотность энергии суперконденсаторов позволяет их использовать в электронных приборах как источник кратковременного питания.
• Экологическая безопасность. Конечно, электрохимические компоненты по-прежнему сохраняются в конструкции, однако их токсическое влияние постоянно сокращается.
• Возможность применения энергии от возобновляемых источников - ветра, солнца, воды и земли.
• Расширение возможностей для конструкционной интеграции элементов питания - к примеру, для обслуживания сложных силовых установок, гибридных электрических машин, автомобилей на водородном топливе и т. д.

Стоит отметить и некоторые преимущества суперконденсатора по отношению к обычному конденсатору. Их немного, но принципиально важным является большая емкость для накопления энергии. По этому показателю не все модификации ионисторов могут конкурировать с АКБ, однако в сравнении с конденсаторами в параметре электрической вместимости они уверенно выигрывают.

Положительные отзывы о суперконденсаторах

Испытания и частичное применение суперконденсаторов сегодня имеют место в самых разных отраслях. Как показывают отзывы об эксплуатации данных устройств, они подтверждают заявления производителей о высокой надежности, экологической безопасности и высокой емкости. Что особенно важно с точки зрения сравнения суперконденсаторов и аккумуляторов, первые не так требовательны к созданию специальных условий при физическом обращении. Отчасти это связано с той же низкой токсичностью компонентов, но в большей степени эргономика эксплуатации обусловлена высокой степенью защиты корпуса. То есть пользователю не нужно предусматривать специальные приспособления для обслуживания суперконденсаторов в герметизированных условиях. Также и небольшая масса с оптимизированными габаритами облегчает выполнение стандартных манипуляций при обслуживании.

Негативные отзывы о суперконденсаторах

Существуют и слабые места у данного рода конденсаторов, которые также очевидно проявляются на практике эксплуатации. В частности, пользователи указывают на их малую энергетическую плотность, низкую производительность и не всегда достаточный уровень напряжения, что заставляет задействовать несколько элементов для обслуживания одной целевой единицы потребителя. Во многом эти недостатки и не позволяют сегодня применять суперконденсаторы вместо аккумуляторов, хотя, опять же, технологическое развитие с большей вероятностью решит и эти проблемы.

Перспективы развития конденсаторов

По оценкам специалистов и разработчиков элементов питания, уже в скором будущем конденсаторы нового поколения станут использоваться повсеместно. Это станет возможным благодаря активному наращиванию удельной емкости устройств. К этому же стоит добавить и улучшение технико-конструкционных характеристик суперконденсаторов, что в первую очередь касается размеров и веса. Вместе с этим уже сегодня организуются испытания ионисторов мощностью до 2,5 мВт. В будущем подобные системы могут применяться в обслуживании транспортных сетей, промышленных объектов и жилых комплексов.

Заключение

Концепция суперконденсатора считается оптимальным решением в ситуациях, когда есть краткосрочная потребность в энергоснабжении с оперативным зарядом. Отчасти в этом заключается противоречие с идеей электрохимических батарей, которые ориентируются на длительное поддержание питания с определенными параметрами. Но возможно ли применение суперконденсатора вместо аккумулятора на автомобиле с учетом данной эксплуатационной особенности? С высокой долей вероятности передовые автоконцерны и будут использовать конденсаторы высокой удельной емкости, но только в специальных гибридных версиях, объединяющих в себе положительные качества ионисторов как таковых и традиционных электрохимических компонентов. К примеру, сегодня подобные решения применяются в виде сочетания электрохимической свинцово-кислотной структуры и суперконденсатора.

Ионисторы все чаще попадают в число основных элементов автомобильных электронных систем. Суперконденсатор для автомобиля решает задачу запуска двигателя, за счет чего сокращается нагрузка на аккумулятор. Кроме этого, за счет оптимизации монтажных схем уменьшается масса транспортного средства.
Широкое применение ионисторы для автомобиля нашли в изготовлении гибридных авто. У них работа генератора зависит от двигателя внутреннего сгорания, и машина приводится в движение с помощью электромоторов. Ионистор для автомобиля в такой схеме является источником быстро получаемой энергии при начале движения и ускорении. В процессе торможения происходит подзарядка накопителя.
Сейчас суперконденсатор вместо аккумулятора используется лишь частично. Впрочем, в ближайшем будущем полная замена наверняка станет реальной, потому что ученые активно занимаются разработкой таких технологий.

Когда нужен ионистор для запуска двигателя?
Суперконденсатор для авто требуется в случаях, когда есть риск того, что штатная аккумуляторная батарея не справится с задачей запуска двигателя внутреннего сгорания. Например, ионистор для автомобиля помогает в следующих ситуациях:
- аккумулятор хронически недополучает заряд в условиях частых поездок на короткие расстояния;
- мощности АКБ бывает недостаточно для запуска двигателя. Чаще всего такая проблема встает в зимнее время;
- необходимо снизить пиковые нагрузки на аккумулятор для продления его ресурса.
Даже когда батарея полностью вышла из строя, некоторые используют ионистор вместо аккумулятора. Он решает задачу запуска двигателя, а в дальнейшем бортовая сеть питается в основном от генератора. Впрочем, суперконденсатор вместо аккумулятора рекомендуется применять только в аварийном режиме, пока не появится возможность установить новую АКБ.
В штатной ситуации ионистор для запуска двигателя используется в следующем формате. Он подключается параллельно аккумуляторной батарее и в момент пуска принимает на себя основную нагрузку. Заторможенный стартер может потреблять очень большой ток (сотни ампер). Выработкой именно этого начального пускового тока для неподвижного стартера и коленвала будет заниматься для автомобиля. Когда основная нагрузка будет обеспечена, ионистор вместе с батареей произведут запуск мотора в более спокойном режиме.
Ионисторы для автомобиля не только продлевают ресурс аккумуляторов, но и положительно сказываются на работе бортовой электроники. При использовании суперконденсаторов для авто снижается провал напряжения в момент запуска, поэтому все электронные компоненты работают в более стабильном режиме. По этой же причине улучшается работа системы зажигания.
При движении связка из аккумулятора и суперконденсатора для автомобиля будет сглаживать возникающие в бортовой сети перепады напряжения. Они возникают из-за того, как ведет себя различное электрооборудование при разной нагрузке и оборотах двигателя. Наличие ионистора в цепи минимизирует негативное влияние таких скачков. Подробнее узнать о возможности использования ионистора вместо аккумулятора, а также параллельно с ним вы можете у наших консультантов.

На сегодняшний день аккумуляторные технологии значительно продвинулись и стали более совершенными по сравнению с прошлым десятилетием. Но все же, пока что аккумуляторные батареи остаются расходным материалом, потому как имеют небольшой ресурс.

Мысль о том, чтобы использовать, конденсатор для накопления и хранения энергии не нова и первые эксперименты проводились с электролитическими конденсаторами. Ёмкость у электролитических конденсаторов бывает значительной – сотни тысяч микрофарад, но все же ее недостаточно для того, чтобы длительное время питать хоть и не большую нагрузку, притом присутствует значительный ток утечки, обусловленный особенностями конструкции.

Современные технологии не стоят на месте, и был изобретен ионистор, это конденсатор, имеет сверхбольшую емкость – от единиц фарад и до десятков тысяч фарад. Ионисторы емкостью единицы фарад используются в портативной электронике, для обеспечения бесперебойного питания слаботочных цепей, например микроконтроллера. А ионисторы емкостью десятки тысяч фарад используются совместно с аккумуляторами для питания различных электродвигателей. В такой комбинации ионистор позволяет уменьшить нагрузку на аккумуляторные батареи, что значительно увеличивает их срок службы аккумулятора и одновременно увеличивает стартовый ток, который способна отдать гибридная система питания двигателя.

Появилась необходимость запитать датчик температуры, таким образом, чтобы не менять в нем батарейку. Датчик питается от батареи типоразмера АА и включается для отправки данных на погодную станцию один раз в 40 секунд. В момент отправки датчик потребляет в среднем 6 мА в течение 2 секунд.

Возникла идея использовать солнечную батарею и ионистор. Исходя из выявленных характеристик потребления датчика, были взяты следующие элементы:
1. Солнечная батарея 5 Вольта и ток примерно 50 мА (Солнечная батарея Советского производства возрастом примерно 15 лет)
2. Ионистор: Panasonic 5.5 Вольт и емкостью 1 фарад.
3. Ионисторы 2 шт: DMF 5.5 Вольт и общей емкостью 1 фарад.
4. Диод Шотки с прямым падением напряжения при малом токе 0.3 В.
Диод Шотки необходим для того чтобы предотвратить разряд емкости через солнечную батарею.
Ионисторы соединены параллельно, и общая емкость составляет 2 фарады.

Фото 1.

Эксперимент №1 – Подключил микроконтроллер с монохромным ЖК-дисплеем и общим током потребления 500 мкА. Хотя микроконтроллер с дисплеем и заработали, но я заметил, что старые солнечные элементы крайне не эффективны, ток заряда в тени был недостаточным для того, чтобы хоть сколько-нибудь зарядить ионисторы, напряжение на 5ти вольтовой солнечной батареи в тени было меньше 2 вольт. (По некоторым обстоятельствам микроконтроллер с дисплеем на фото не показаны).

Эксперимент №2
Для повышения шанса на успех я приобрел на радиорынке новые солнечные элементы номиналами 2 В, током 40 мА и 100 мА, китайского производства залитые оптической смолой. Для сравнения данные батареи в тени уже выдавали 1,8 вольт, при этом не большой ток заряда, но все же заметно лучше заряжающий ионистор.
Спаяв конструкцию уже с новой батареей, диодом шотки и конденсаторами я положил ее на подоконник для того, чтобы конденсатор зарядился.
Притом, что солнечный свет напрямую не попадал на батарею, уже через 10 минут конденсатор зарядился до 1,95 В. Взял датчик температуры, вынул из него батарею и подключил ионистор с солнечной батареей к контактам батарейного отсека.

Фото 2.

Датчик температуры сразу же заработал и передал на метеостанцию комнатную температуру. Убедившись, что датчик работает, закрепил на него конденсатор с солнечной батареей и повесил на место.
Что же было дальше?
Все светлое время суток датчик исправно работал, но с наступлением темного времени суток, уже через час, датчик перестал передавать данные. Очевидно, что запасенного заряда не хватало даже на час работы датчика и потом выяснилось почему…

Эксперимент №3
Решил немного доработать конструкцию таким образом, чтобы ионистор (вернул сборку ионисторов 2 фарады) был полностью заряжен. Собрал батарею из трех элементов, получилось 6 вольт и ток 40 мА (при полном освещении солнцем). Данная батарея в тени уже давала до 3,7 В вместо предыдущей 1,8 В (фото 1) и ток заряда до 2 мА. Соответственно ионистор заряжаясь до 3,7 В и имел уже значительно больше запасенной энергии в сравнении с Экспериментом №2.

Фото 3.

Все бы хорошо, но мы теперь имеем на выходе до 5,5 В, а датчик питается от 1,5 В. Необходим DC\DC преобразователь, что в свою очередь вносит дополнительные потери. Тот преобразователь, который у меня был в наличии, потреблял порядка 30 мкА и на выходе давал 4,2 В. Пока мне не удалось найти нужный преобразователь, для того чтобы запитать датчик температуры уже от модернизированной конструкции. (Нужно будет подобрать преобразователь и повторить опыт).

О потерях энергии:
Выше упоминалось, что ионисторы имеют ток саморазряда, в данном случае у сборки 2 фарада он составлял 50 мкА, так же сюда добавляются потери в DC\DC преобразователе порядка 4% (заявленная эффективность 96%) и его холостой ход 30 мкА. Если не брать во внимание потери на преобразование, мы уже имеем потребление порядка 80 мкА.
Отнестись к энергосбережению необходимо особо внимательно, потому как экспериментальным путем установлено, что ионистор емкостью 2 фарады заряженный до 5,5 В и разряженный до 2,5 В имеет так скажем «аккумуляторную» емкость 1 мА. Иначе говоря – потребляя 1 мА с ионистора в течении часа, мы его разрядим с 5,5 В до 2,5 В.

О скорости заряда прямым солнечным светом:
Ток, получаемый от солнечной батареи тем выше, чем лучше батарея освещена прямыми солнечными лучами. Соответственно скорость заряда ионистора увеличивается в разы.

Фото 4.

Из показаний мультиметра видно (0.192 В, начальные показания), через 2 минуты конденсатор зарядился до 1,161 В, через 5 минут до 3,132 В и еще через 10 минут 5,029 В. В течении 17 минут ионистор был заряжен на 90%. Нужно отметить, что освещение солнечной батареи было неравномерным в течении всего времени и происходило через двойное оконное стекло и защитную пленку батареи.

Технический отчет по Эксперименту №3
Технические характеристики макета:
- Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 40 мА (при полной засветке солнцем), (в тени пасмурной погоды 3,7 В и ток 1 мА с нагрузкой на ионистор).
- Ионисторы соединены параллельно, суммарная емкость 2 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, ток саморазряда 50 мкА;
- Диод Шотки с падением прямого напряжения 0,3 В, используется для развязки по питанию солнечную батарею и ионистор.
- Размеры макета 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA).
От данного макета удалось запитать:
Микроконтроллер с ЖК-дисплеем (ток потребления 500 мкА при 5,5 В, время работы без солнечной батареи, приблизительно 1,8 часа);
Датчик температуры, время работы световой день с солнечной батареей, потребление 6 мА в течении 2 секунд каждые 40 секунд;
Светодиод светился 60 сек при среднем токе 60 мА без солнечной батареи;
Так же был испробован DC\DC преобразователь напряжения (для стабильного питания), с которым удалось получить 60 мА и 4 В, в течении 60 секунд (при заряде ионистора до 5,5 В, без солнечной батареи).
Полученные данные говорят о том, что ионисторы в данной конструкции имеют приблизительную емкость 1 мА (без подпитки от солнечной батареи с разрядом до 2,5 В).

Выводы:
Данная конструкция позволяет накапливать энергию в конденсаторах для беспрерывного питания микропотребляющих устройств. Накопленная емкость 1 мА на 2 фарады емкости конденсатора должно хватить для обеспечения работоспособности микропроцессора с низким потреблением в темное время суток в течение 10 часов. При этом суммарный ток потерь и потребления нагрузкой не должен превышать 100 мкА. Днем ионистор подзаряжается от солнечной батареи даже в тени и способен питать нагрузку в импульсном режиме током до 100 мА.

Отвечаем на вопрос в заголовке статьи - Может ли ионистор заменить аккумулятор?
– может заменить, но пока со значительными ограничениями по току потребления и режиму работы нагрузки.

Недостатки:

• малая емкость запаса энергии (приблизительно 1 мА на каждые 2 Фарад емкости ионистора)
• значительный ток саморазряда конденсаторов (ориентировочная потеря 20% емкости за сутки)
• габариты конструкции определяются солнечной батареей и суммарной емкостью ионисторов.

• отсутствие изнашиваемых химических элементов (аккумуляторов)
• диапазон рабочих температур от -40 до +60 градусов Цельсия
• простота конструкции
• не высокая стоимость

Фото 5.

С одной стороны платы располагаются солнечная батарея, с другой стороны сборка ионисторов и DC\DC преобразователь.

Технические характеристики:

• Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 60 мА (при полной засветке солнцем);
• Ионисторы суммарная емкость 4; 6 или 16 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, суммарный ток саморазряда соответственно 120\ 140\ (пока не известно) мкА;
• Диод Шотки сдвоенный с падением прямого напряжения 0,15 В, используется для развязки по питанию солнечной батареи и ионистора;
• Размеры макета: 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA);
• Расчетная емкость без подпитки от солнечных батарей при установке конденсаторов 4; 6 или 16 Фарад, составляет примерно 2\ 3\ 8 мА.

P. S. Если вы заметили опечатку, ошибку или неточность в расчетах - напишите нам личным сообщением, и мы оперативно все исправим.

Продолжение следует…

Суперконденсатор (или по-другому ионистор) представляет собой устройство для накопления электрической энергии, занимающее среднее положение между аккумуляторной батареей и электролитом. Правда, в отличие от них, эти изделия имеют несравнимо меньшие размеры и выглядят как обычные электролитические конденсаторы (смотрите рисунок ниже).

По своим характеристикам суперконденсатор (СК) существенно отличается от рядовых электролитических изделий, поскольку он более долговечен и имеет меньшую токовую утечку. Основная цель разработки этих изделий – создание накопителей энергии нового поколения, способных заменить привычные аккумуляторные батареи.

Характерные отличия

Помимо уже перечисленных выше достоинств, суперконденсатор характеризуется более высоким, чем у батарей, показателем удельной ёмкости, что позволяет использовать его в качестве источника питания в электромобилях, например. Благодаря уникальным энергетическим свойствам, время зарядки этого электролитического элемента заметно сокращается (то же самое можно сказать и о периоде его разрядки).

Дополнительная информация. Перечисленные свойства позволяют использовать конденсаторы большой ёмкости в современных источниках возобновляемой энергии (солнечных батареях, ветровых генераторах и т. п.).

При его эксплуатации удаётся добиться более экономичного режима работы за счёт возможности аккумулирования избытков полученной от источников энергии.

Внешне суперконденсатор выглядит как обычный элемент с двумя электродами, используемый вместо аккумулятора.

Подобно АКБ, в своих внутренних полостях он также содержит электролит, который при взаимодействии с пластинами вырабатывает электроэнергию.

Особенности конструкции и производители

Электроды этого изделия изготавливаются из специального пористого материала, покрытого сверху тонким слоем активированного угля. В качестве электролитического состава используются смеси неорганического или органического происхождения. Основные его отличия от привычного конденсатора состоят в следующем:

• Между обкладками в этом изделии размещается не обычный слой диэлектрика, а вдвое толще, что позволяет получить очень тонкий зазор. Такая конструкция обеспечивает возможность накапливать электроэнергию в больших объёмах (электрическая ёмкость в этом случае значительно возрастает);
• Далее суперконденсатор, в отличие от других образцов, аккумулирует и расходует заряд достаточно быстро;
• Благодаря использованию двойного слоя диэлектрика повышается общая площадь электродов, а габариты при этом остаются прежними. Технические характеристики изделия при этом заметно улучшаются.

К особенностям этих конденсаторов, появившихся в 1962 году, также следует отнести энергетическую структуру их электродов, один из которых имеет электронную проводимость, а другой – так называемую «ионную». В результате этого в процессе их зарядки осуществляется разделение противоположных по знаку зарядов, приводящее к накапливанию на обкладках положительного и отрицательного потенциала (смотрите фото).

В 1971 году лицензию на производство этих уникальных изделий получила известная японская корпорация NEC, успешно освоившая к этому времени практически все электротехнические направления. Именно ей удалось продвинуть и окончательно утвердить на рынке электронных изделий уникальную технологию производства суперконденсаторов. С 2000-х годов она успешно освоена практически во всех экономически развитых странах мира.

Виды суперэлектролитов

Все известные образцы электролитических изделий этого класса подразделяются на следующие виды:

• Двухслойные конденсаторные структуры (ДСК);
• Гибридные электролитические элементы;
• Псевдоконденсаторы.

Рассмотрим каждый из них чуть подробнее.

Двухслойные структуры имеют в своём составе два пористых электрода с проводящим углеродным покрытием, разделенных особым составом (электролитным сепаратором). Процесс аккумулирования энергии в этих образованиях осуществляется за счет разделения противоположных по знаку зарядов, сопровождающегося образованием на электродах значительных по амплитуде потенциалов.

На величину электрического заряда таких структур существенное влияние оказывает емкость двойного накопительного слоя, выполняющего функцию своеобразного поверхностного конденсатора. Между собой эти две накопительные системы соединяются в последовательную цепочку посредством объединяющего их электролита.

Дополнительная информация. В данном случае он играет роль проводника с ионным типом проводимости.

Гибридные электролиты можно отнести к категории переходных структур, занимающих промежуточное положение между аккумулятором и конденсатором. Выбор такого названия для этих изделий обусловлен тем, что электроды в них изготавливаются из материалов разного типа, вследствие чего характер накопления зарядов несколько различен.

Обычно функцию катода в них выполняет материал, обладающий так называемой «псевдо ёмкостью», а процесс аккумулирования заряда происходит вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций. Такая «архитектура» электролитов этой группы позволяет увеличить суммарную емкость конденсатора, а также расширить диапазон допустимых напряжений.

В этих изделиях чаще всего применяются сложные сочетания материала электродов, представляющих собой комбинацию из особого типа проводящих полимеров (или смешанных оксидов). Ведутся исследования по другим перспективным материалам (композитам, в частности), получаемым методом осаждения оксидов металлов на углеродные основания или полимеры.

Псевдоконденсаторы по своим техническим показателям гораздо ближе к перезаряжаемым аккумуляторным батареям, имеющим два твёрдотельных электрода. В основе их действия лежит сочетание следующих двух механизмов:

• Процессы заряда и разряда (аналогичные реакциям, происходящим в обычных аккумуляторах);
• Взаимодействия электростатического характера, присущие структурам с двойным электрическим слоем.

Приставка «псевдо» означает, что емкость этих элементов определяется не столько характером электростатических процессов, сколько зависимостью от реакций, связанных с переносом электролитических зарядов.

Области применения

Наиболее часто изделия этого класса применяются в следующих механизмах, агрегатах и образцах оборудования:

• В системах с источниками возобновляемой энергии, нуждающихся в аккумулировании накапливаемых потенциалов (солнечные батареи, ветряные генераторы и т. п.);
• В современных транспортных средствах (электрокарах, например), а также в устройствах запуска двигателей автомобилей на водородном топливе;
• За счёт высокой энергетической плотности и повышенной удельной емкости эти изделия широко применяются в электронной аппаратуре (в качестве источников кратковременного и мощного импульса);
• Также они востребованы в системах бесперебойного питания, в которых в полной мере используется их основное преимущество – обеспечивать мгновенную передачу мощности.

Обратите внимание! Сюда же следует отнести развивающиеся отрасли, предполагающие использование систем непрерывного питания на экономичном топливе.

Кроме того, суперконденсаторы могут применяться в следующих устройствах:

• В системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в устройствах запуска электродвигателей;
• В комплексах, функционирование которых связано с критическими нагрузками (оборудование портов, больничных учреждений, вышек мобильной связи, банковских центров и т. п.);
• В источниках резервного электроснабжения оборудования ПК и систем сбора данных (микропроцессоров и ЗУ), а также в мобильных телефонах.

Достоинства и недостатки конденсаторных изделий

К числу достоинств изделий рассматриваемого класса следует отнести:

• Низкую удельную стоимость (из расчета на единицу ёмкости);
• Высокие показатели ёмкостной плотности и КПД циклов заряда-разряда (до 95% и выше);
• Надёжность, долговечность и экологическая чистота;
• Прекрасные показатели удельной мощности;
• Достаточно широкий диапазон температур, при которых возможна их эксплуатация;
• Наибольшая из всех возможных для изделий данной категории скорость заряда и разряда;
• Допустимость полной потери ёмкости (практически до нуля).

Ещё одно немаловажное преимущество СК – их сравнительно малые размеры и вес (по отношению к другим типам электролитических изделий).

Среди присущих им «минусов» хотелось бы отметить следующие недостатки:

• Относительно малая плотность накапливаемых энергий;
• Низкий показатель вольтажа, приходящегося на единицу ёмкости элемента;
• Высокий уровень неконтролируемого саморазряда.

Добавим к этому не до конца проработанную технологию производства изделий.

Перспективы применения

В ближайшем будущем предполагается практически повсеместное использование суперконденсаторов, которые будут внедряться в большинство энергоёмких производств (включая медицинскую отрасль, аэрокосмическую промышленность и военную технику).

Одновременно с их внедрением всё более повышается удельная емкость этих изделий, что в перспективе позволит полностью заменить батареи конденсаторами. Также намечается процесс интегрирования суперконденсаторов в различные структуры современного электронного производства, включая изготовление управляющих и регулирующих элементов.

В заключение отметим, что конденсаторные изделия этого класса позволяют внедрить в жизнь экологически чистые способы экономии энергии, намного более перспективные, чем все известные до сих пор. В ближайшее время предполагается дальнейшее расширение сфер применения этих технологий, которые могут захватить всю автотранспортную отрасль, а также устройства связи и мобильную технику.

Видео