Мощни суперкондензатори
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 5, 2011
Няма точно определение за суперкондензатор (Supercapacitor, Ultracapacitor), но в практиката така се наричат кондензатори с капацитет над няколко десетки хиляди mF, като горната граница е няколко хиляди F. Разработени първоначално за временно захранване на маломощни електронни устройства, днес суперкондензаторите имат множество и непрекъснато разширяващи се области на приложение - главно за бързо натрупване на електрическа енергия и за разреждане с големи импулсни токове.
Суперкондензаторите
От известната формула за капацитет C = e0erS/d следва, че неговото увеличаване се постига чрез по-голяма площ S на електродите, по-малко разстояние d между тях и по-голяма относителна диелектрична проницаемост er на изолатора помежду им. Тъй като по-малкото d води до намаляване на пробивното напрежение на изолатора, в основните структури на суперкондензатори то не надхвърля 5 V. За приложенията е важно, че в кондензатора може да се натрупва електрическа енергия E=0,5 CU2, пропорционална на С и напрежението му U. Тя е в джаули (J), когато С е във F и U във V, като 1 J = 1 Ws и 1 Wh = 3600 J.
При разреждане на кондензатора за кратко време енергията може да създаде голям импулсен ток, което има много приложения, но и може да предизвика повреди, например при късо съединение. Когато е необходимо върху товар да се отдаде енергия E [Wh] при разреждане на кондензатора от напрежение U2 [V] до U1 [V] неговият капацитет във F трябва да е C = 7200 E/(U22 - U12). При това реалното пълно разреждане е от U до 0,05 U.
За осигуряване на голяма S засега са известни два основни начина. В първия, използван за серийно производство, двата електрода са от порьозен (за получаване на голяма S при сравнително малки геометрични размери) въглерод, по средата между тях е изолаторът с дебелина от порядъка на nm (тя е d), а двете пространствата между него и електродите са запълнени с електролит. Последният определя наличието на положителен и отрицателен извод на суперкондензаторите, което трябва да се има предвид при свързването към постоянно напрежение. При прилагане на последното, отрицателните йони на електролита се натрупват на положителния електрод, а положителните – на отрицателния електрод. Вторият начин за реализация е все още в изследователски етап, но се очаква в скоро време на пазара да бъдат предложени суперкондензатори на негова основа. Вместо порьозен въглерод в него се използват въглеродни нанотръбички (Carbon Nanotube) с диаметър един атом, с което рязко се увеличава S.
Натрупването на електрически заряди на двата електрода означава, че зареждането на суперкондензатора е различно от това на акумулаторите, където то се обуславя от протичането на химична реакция. Същото е положението и при разреждане, което е основната причина за много по-големия брой цикли заряд-разряд (Cycle Life) със стойности над 105, като вече има модели с над 106 и е важно предимство спрямо акумулаторите. Освен това липсата на химични реакции осигурява много малко време на разряд (типично между 1 s и 30 s) и следователно - възможност за получаване на къси и мощни токови импулси. По същата причина суперкондензаторите могат да се зареждат много бързо (времена както при разреждане) и с прости схеми – не е необходимо да се следи кога са напълно заредени, нито има опасност от надхвърляне на максимално допустимото количество електричество. При своето разреждане суперкондензаторите могат да отдадат на товара не по-малко от 95% от натрупаната енергия за разлика от акумулаторите, където неизползвани остават 20-30%.
Освен броя на циклите и капацитета, основни параметри на суперкондензаторите са плътността на енергията (Specific Energy Density) и плътността на мощността (Specific Power Density). Първата се измерва във Wh/kg и представлява количеството енергия в единица тегло, докато втората е мощността в единица тегло с измерение W/kg. Тя е поне няколко пъти по-голяма в сравнение с акумулаторите, т. е. при едно и също тегло суперкондензаторите могат да осигурят по-голяма мощност при разреждането си. Последният съществен параметър е еквивалентното последователно съпротивление (Equivalent Series Resistance) ESR, отразяващо загубите на активна енергия – реалният суперкондензатор представлява последователно съединение на ESR и идеален кондензатор (без загуби). Това съпротивление ограничава тока на разреждане, чиято максимална стойност е в момента на започването му и при нежелано късо съединение може да е много голяма. Така например суперкондензатор за хибридни автобуси с максимално напрежение 96 V и ESR = 15 mW има ток до 6,4 kA. От друга страна малкото ESR позволява почти цялата енергия на суперкондензатора да се отдаде на товара.
От приложна гледна точка съществено предимство е, че суперкондензаторите могат да се зареждат до произволно напрежение (но не по-голямо от максималното им), докато при акумулаторите то има приблизително постоянна стойност в зависимост от типа им. От особена важност за много приложения е максимално допустимият ток на разреждане, чиято стойност в А е до 1000 пъти по-голяма от капацитета във F. Друго предимство е сравнително широкият работен честотен обхват с максимални граници от -50 °С до +85 °С. От гледна точка на експлоатацията суперкондензаторите имат сериозното предимство на много малки разходи за поддръжка.
Сред недостатъците на суперкондензаторите е отдаването на енергията им за кратко време върху активни и реактивни товари, до 10 пъти по-малката плътност на енергията в сравнение с акумулаторите и значително по-бързия саморазряд. Освен това по време на разреждане напрежението им намалява, а не остава почти постоянно.
Типичното работно напрежение U на суперкондензаторите е 2,3-2,7 V и неговото увеличаване до nU се постига чрез последователно свързване на n еднакви суперкондензатора, наричани в този случай клетки (Cell) и образуващи кондензаторна батерия (Multi-Cell Module). Това е за сметка на увеличаване n пъти на ESR и получаване капацитет на батерията C/n, където С е този на всеки от кондензаторите. Типичните капацитети на батериите са между 0,1 F и 600 F с производствен толеранс обикновено ±10%, работното им напрежение е от 5 до 350 V и ESR е между няколко mW и няколко десети от W.
Практикува се и паралелно свързване на суперкондензатори, които при това могат да бъдат различни, капацитетът на така получената батерия е сумата от капацитетите на кондензаторите, а нейното ESR е паралелната комбинация от съпротивленията на кондензаторите.
Сред последните новости са гъвкавите суперкондензатори (Flexible Supercapacitor) на основата на проводящи полимери, които са в процес на разработка и имат по-голяма плътност на енергията, с което се приближават до акумулаторите при запазване на останалите параметри. За някои приложения предимство ще е плоското и с възможност за огъване тяло.
За непрекъснатото нарастване на приложенията на суперкондензаторите говори фактът, че през последните 10 години продажбите им ежегодно нарастват с 25%, а прогнозите са за още по-голямо нарастване през следващите години. За това съществена роля има и 100-кратното намаляване на цената им за същия период, докато тази на акумулаторите се е понижила само с няколко десетки %. Очаква се през 2017 г. обемът на световното производство на суперкондензатори да достигне 8 млрд. USD.
Приложения в автомобилите
За масовото навлизане в ежедневието на хибридните (НЕV) и електрическите (ЕV) автомобили трябва да бъдат решени множество технически проблеми, сред които са максимално ефективното използване на енергията и осигуряване на добри динамични характеристики. При спирането на класическите автомобили тяхната кинетична енергия (за осигуряването на която е изразходвано гориво) се превръща от спирачките в топлина. В НЕV и ЕV спирането е чрез електродвигателя, работещ като генератор, произведената от който електроенергия трябва да се съхрани. Възможността за бързо зареждане на суперкондензаторите позволява да се използва практически цялата кинетична енергия дори при кратко задействане на спирачната система. Практическото решение е успоредно свързване на суперкондензатор към акумулатора, което се вижда от типичната структура на енергийната система на НЕV на фиг. 1, а стрелките в нея показват посоката на предаване на електрическата енергия. Акумулаторът Bat задвижва електродвигателя ЕМ, като връзката между тях е чрез постояннотоковата шина DCB. При спиране по нея ЕМ зарежда суперкондензатора SC. При дълъг пробег дизеловият двигател DM задейства електрическият генератор G, който отново по DCB осигурява енергия на ЕМ и зарежда акумулатора. Доброто ускорение при потегляне изисква голяма енергия за кратко време, която също се осигурява от SC. Според направени изследвания, ползването на SC осигурява намаляване на консумацията на гориво с около 15%.
Стартерът на класическите автомобили изисква при запалване на двигателя голям ток за кратко време, което води до увеличаване на капацитета (заедно с размерите, теглото и цената) на акумулатора и силно го натоварва. Ефикасно съвременно средство е суперкондензатор, свързан по подходящ начин успоредно на акумулатора, който да осигурява част от тока на стартера. От друга страна, двигателите на всички видове автомобили изразходват излишно енергия, когато са спрели на светофар, в задръстване, при качване и слизане на пътници. Избягването на това е чрез изключване на двигателя, което в някои автомобили се прави автоматично (Stop-Start System, SSS) с цел намаляване на разхода на гориво и замърсяването на околната среда. И в тези случаи за бързо включване на двигателя без практическо нарушаване на динамиката ефективно могат да се използват суперкондензатори благодарение на големия си ток, което се оказва особено полезно в бусове и камиони за зареждане на магазини и в автобусите на градския транспорт. Често суперкондензаторите се използват и за захранване на климатика при неработещ двигател. Допълнителен положителен ефект от суперкондензаторите е ползването на акумулатори с по-малък капацитет. Така чрез подходяща комбинация на акумулатор и суперкондензатор могат максимално да се използват предимствата им. Основните приложения на този принцип са в НЕV.
За хибридни коли, автобуси и камиони се произвеждат кондензаторни батерии с напрежение 16 V, 48 V и 125 V. Външният вид на такава батерия, разработена от голяма автомобилна фирма за съвместна работа с горивни клетки в НЕV, е даден на фиг. 2.
Приложения в релсови превозни средства
Тези приложения са в експериментален стадий и основно в две насоки. Първата е в запалването на дизелови локомотиви. Тук акумулаторът трябва да осигури голям ток и мощност, които са максимални непосредствено след включването на стартера. Например при двигател 3000 к. с. токът е от порядъка на 2 kA и за десетина секунди трябва да се осигурява мощност около 100 kW, което налага използването на акумулатор с капацитет около 500 Ah. През последните години започнаха да влизат в сила екологични изисквания, налагащи изключване на двигателя, когато влакът е на гара, което означава много повече стартирания през експлоатационния период. При проведени експерименти за използване на успоредно свързани акумулатор и суперкондензатор, последният е осигурявал около 2/3 от тока на стартера. Предимствата на това свързване са осигуряване на по-голяма мощност на стартера в първите 2 секунди, благодарение на което запалването е сигурно дори при не напълно зареден акумулатор и в студено време, както и възможността за използване на акумулатор с няколко пъти по-малък капацитет. Освен това експлоатационният срок ще е по-дълъг.
Втората насока е в пробиващите си път (първият експериментален участък е пуснат през 2003 г.) трамваи и електрически влакове без контактна мрежа, например в места с исторически забележителности. Класическата система е на тези места захранването да се осигурява чрез електромагнитно поле от източник между релсите, който автоматично се включва само при преминаване на превозното средство. Вместо него биха могли да се използват суперкондензатори – през 2010 г. е пуснат експериментален локомотив, снабден с батерия от суперкондензатори с тегло 1400 kg, зареждана за 20 s на спирката преди участъка без контактна мрежа.
Приложения във ветрогенераторите
Максимално ефективната работа на ветрогенераторите изисква непрекъсната промяна на положението на перките им в зависимост от посоката и силата на вятъра. В голяма част от генераторите това се осигурява от електронна система, захранвана от акумулатор. Той постепенно се заменя със суперкондензатор (по света се намират в експлоатация няколко десетки хиляди ветрогенератора от този тип) поради описаните до тук предимства, като експлоатационният срок е над 5 пъти по-голям. През следващите години се очаква нарастване на използването на суперкондензатори във ветрогенераторните системи.
Индустриални приложения
Независимо от усъвършенстванията на енергийните системи нежеланите прекъсвания на захранването са неизбежни и същевременно недопустими в много случаи. Класическият начин за избягването им чрез непрекъсваеми захранвания (UPS) с вграден акумулатор често се оказва неподходящ, тъй като времето за възстановяване на захранването от порядъка на 0,1 s често е недопустимо голямо. Понякога в индустриалните системи това време трябва да е не повече от 1 ms или дори 100 ms. От друга страна, чрез UPS е възможно, но практически твърде неефикасно и скъпо получаването на високи напрежения. Поради всичко това, през последните години бяха разработени UPS със суперкондензатори или комбинация акумулатор-суперкондензатор, някои модели от които са предназначени за напрежения до 11 kV. Малкото време, през което могат да поддържат захранването, не е особен недостатък, тъй като статистическите данни за последните 20 години показват, че 98% от прекъсванията на мрежовото напрежение са за по-малко от 1s. Пример за приложението им е за захранване на мощните контактори в подстанциите.
Нисковолтовите индустриални приложения на суперкондензаторите включват аварийно захранване на интелигентни електромери, видеокамери, роботи, използват се в машини за заваряване, подемни кранове и др.
Хибридни акумулатори
Необходимостта и ефективността на комбинацията акумулатор-суперкондензатор доведе до създаването на хибридни акумулатори (Hybrid Battery, Ultrabattery, Hybrid Capacitor, Pseudocapacitor), съчетаващи качествата на двата прибора. Предимствата са липсата на управляващия електронен блок при свързването на отделни акумулатор и суперкондензатор, по-малките размери и тегло. Засега съществуват три основни разновидности на хибридни акумулатори. Първата представлява видоизменение на оловен акумулатор, като отрицателният електрод е разделен на две части – едната за работа като акумулатор и другата за работа като суперкондензатор. Различието на двата електрода определя и наименованието Asymmetric Hybrid Ultracapacitor. Експлоатационният срок на един серийно произвеждан хибриден акумулатор от този вид е 4 пъти по-дълъг от този на оловните акумулатори, а доставяната мощност – с 50% по-голяма. Първоначалните оценки са, че използването му в НЕV ще намали цената им с 2000 USD. Втората разновидност представлява видоизменение на суперкондензатор, като единият електрод е от порьозен въглерод с примеси от метали, от проводящи полимери или от метални окиси. Третата разновидност е на основата на литиев акумулатор с основни приложения в апаратури с батерийно захранване. Подобен, намиращ се в серийно производство модел, има капацитет 1000 F, напрежение 2,3 V, ESRЈ14 mW и максимално количество на съхраняваната енергия 0,735 Wh.
Вижте още от Електроапаратурa
Ключови думи: Мощни суперкондензатори, Суперкондензаторите, Хибридни акумулатори
Новият брой 6/2024
