Закрити

  Авторизація

Логін
Пароль
Запам'ятати на 2 тижні?

Забули пароль?
Якщо ви незареєстровані, пройдіть реєстрацію
Останні новини
Останні новини
Cміттєспалювальна електростанція в Івано-Франківській області
23.01.2017р.

Чеська компанія «Sky Power» планує збудувати на...

Данія планує надати Україні технічну допомогу для розвитку ВДЕ
23.01.2017р.

Голова Держенергоефективності Сергій Савчук...

Oбговорено проект Плану пріоритетних дій Уряду до 2020 року в галузі енергетики
20.01.2017р.

Обговорення проведено за участю правління...

«Укрелектромаш» планує збільшити продажі утричі
19.01.2017р.

Харківський електротехнічний завод (ХЕЛЗ)...

Зупинки зі сонячними батареями і підігрівом
19.01.2017р.

Англо-американська компанія «CLA Urban International» планує...

Опитування
Опитування

Вам подобається оновлений портал?

2440
13.04.2009р. |
Ультраконденсатори кидають виклик батареям

Традиційно відрізняючись швидкодією й потужністю, а також обмеженим запасом енергії, конденсатори перетворюються у швидкі, потужні й енергоємні пристрої, які, найімовірніше, будуть застосовуватися в автомобілях з гібридним приводом і як резервні джерела живлення.

Конденсатори, які дотепер лише запасали електричну енергію, і були незамінними для успішної роботи електричних кіл найрізноманітніших пристроїв і приладів - від персонального комп'ютера до НВЧ-печей, мобільних телефонів і телевізорів, зараз завойовують нову галузь - акумулювання енергії. Протягом майже двох сторіч акумуляторні батареї вважалися природним зберігали певну кількість енергії, а нині високоякісні конденсатори, відомі як ультраконденсатори, приготувалися кинути їм виклик.

Старший брат батареї

З моменту винаходу в 1745 році - у вигляді скляної банки, наповненою рідиною й обгорненої фольгою, - конденсатори пройшли довгий шлях. У міру вдосконалення технології вони перетворювалися з дивини у важливий лабораторний інструмент, а в XX столітті стали ключовим компонентом електричних кіл. Базовий принцип, на якому заснована робота конденсатора, - накопичення енергії: позитивний заряд збирається на одному електроді, а негативний - на іншому, розташованому поруч, але електрично відділеного від першого. Конденсатори запасають електричну енергію в статичній формі для подальшого використання.

Три головних фактори визначають, скільки саме енергії може запасти конденсатор: площа поверхні електродів, відстань між ними й електричні властивості ізолювального шару, що відділяє електроди. Історія конденсаторів написана багатьма вченими, які відкрили принципи роботи конденсаторів і підвищували їх енергоємність, збільшуючи площу поверхні електродів, зменшуючи відстань між ними й поліпшуючи властивості ізолювального шару.

Фізичні властивості розвивалися паралельно з поліпшенням конструкції оригінального накопичувача, незабаром названого лейденською банкою (за містом, де він був винайдений). Одне з перших важливе технічне вдосконалення - заміна рідкого електрода шаром фольги. Інші важливі вдосконалення – це заміна скляної банки скляною пластиною, що, своєю чергою поступилася місцем тоншим і еластичнішим матеріалам. Одночасно тоншими ставали й електроди.

Все це призвело до створення конденсаторів зі спіральним намотуванням, винайдених у 1926 році Робертом Спрегом (Robert Sprague). Для виготовлення таких конденсаторів Спрег просто змотав разом пари стрічок із струмопровідної фольги (електродів), відділених ізолювальними стрічками з паперу (діелектрика).

На початку 1980-х були розроблені плівкові конденсатори для застосування в побутовій електроніці й електричних апаратах. Такі прилади, звані багатошаровими конденсаторами з полімерним діелектриком, є пакетом з тисяч провідних пластин, відокремлених діелектриком. Як циліндричні (намотані) конденсатори, так і багатошарові полімерні конденсатори - це зразки електростатичних конденсаторів, виконаних на основі вихідної концепції двох фізично рознесених електродів, між якими є спеціальний шар діелектрика.

Нині електростатичні конденсатори широко використовуються практично в будь-якому електронному пристрої - від побутової техніки й іграшок до друкованих плат у комп'ютерах або супутниковій апаратурі. Такі конденсатори є малюсінькими керамічними цеглинками, що кріпляться безпосередньо до провідників друкованої плати. Здатність накопичувати невелику кількість електрики й швидко віддавати її робить їх разом із транзисторами й резисторами незамінними компонентами різних електронних схем.

Ахіллесова п'ята конденсаторів

Зрозуміло, що здатність лейденської банки віддавати всю накопичену енергію миттєво, змусила вчених шукати технологію, що дала б змогу робити це безупинно. Таку – технологію батареї – винайшов у 1800 році італійський фізик Алессандро Вольта.

Коли Вольта й багато інших учених поліпшили характеристики батареї, вона швидко витиснула лейденську банку і її «нащадків». Майже 200 років батарея панувала як найкраща технологія зберігання електроенергії. Батарея не запасала окремі заряди – вона накопичувала електричну енергію у вигляді хімічних змін в електродах і віддавала її у вигляді тривалого незмінного струму. Недоліком батареї є те, що вона повільно набирає заряд, і повільно віддає його.

Шляхи вдосконалення

Електролітичні конденсатори були винайдені в 1930 році. Мислячи оригінально, учені й інженери запропонували новий спосіб виготовлення конденсаторів, що має три основних відмінності:

- збільшено площу поверхні: поверхню одного з електродів, зробленого з алюмінію, протравлювали у кислоті, що робило її шорсткою й пористою, тобтозбільшувалася площа, на якій міг накопичуватися електричний заряд;

- різко зменшено товщину діелектрика: поверхня електрода після травлення окисляється й покривається ізолювальним шаром оксиду алюмінію, що відмежовує позитивні й негативні заряди;

- рідкий (пастоподібний) електрод з електроліту: шорсткувата оксидована поверхня алюмінієвого електрода занурюється в електроліт - розчин, молекули якого легко дисоціюють на іони. Фактично електроліт стає продовженням другого електрода - корпуса, у який вкладений конденсатор.

Хоча електролітичний конденсатор виглядає інакше, ніж електростатичний, він має всі такі самі характеристики: у ньому є провідний електрод, відділений від другого провідного електрода тонким шаром діелектрика. Ключовим словом тут є «тонкий». В електростатичному конденсаторі ізолятором може слугувати тонка пластина скла або кераміки, шар вощеного паперу або пластинка слюди. Однак у міру тоншання матеріал незабаром сягає межі - товщини порядку 0,1 мм (10-3 м), обумовленою його власною крихкістю й електричною міцністю (здатністю витримувати напругу).

Порівняно з цим в електролітичних конденсаторах товщину ізолювального діелектрика за рахунок вирощування тонкої плівки оксиду алюмінію (Al2O3) на всьому мікрорельєфі протравленого електрода різко знижено. У результаті шар ізоляції має товщину в декілька мікрон, тож заряди протилежного знака рознесені на відстань, що не перевищує мікрона (10-6 м). В електролітичних конденсаторах протравлена й оксидована металева фольга слугує і електродом, й ізолювальним шаром.

Другим електродом у конденсаторі є сам корпус і органічний електроліт, що перебуває в контакті з ним. Він просочує матеріал сепаратора (що міститься між стінкою корпуса й електродом з фольги) і змочує згорнуту в рулон протравлену металеву фольгу. Такий провідний електроліт складається з пасти, одержуваної при розчиненні й реакції борної кислоти в гліколі, в’язкої рідини, яка застосовується в антифризах. Відношення великої площі поверхні (поверхні протравленої фольги) до малої відстані, що відділяє заряди (товщина шару оксиду алюмінію) дає змогу електролітичним конденсаторам запасати набагато більшу кількість електрики, ніж електростатичним конденсатором того ж розміру.

Даєш ультра!

Ультраконденсатори - це наступний виток інноваційного розвитку електролітичних конденсаторів. Відстань, що відділяє заряди в ультраконденсаторах (у техніці відомих як електролітичні конденсатори з подвійним шаром), було зменшено буквально до розмірів самого іона електроліту. Тепер заряди рознесені не на міліметри або мікрони, а лише на кілька нанометрів. У трьох наших прикладах - електростатичні конденсатори, електролітичні й ультраконденсатори - на кожному етапі відстань скорочувалася на три порядки: від міліметрів (10-3 м) до мікронів (10-6 м), а потім до нанометрів (10-9 м).

Поєднання надмалої відстані й порівняно великої площі поверхні в ультраконденсаторах призводить до того, що відношення площа поверхні/ізолювальний проміжок досягає в них приголомшливих величин: порядку 10 у дванадцятому ступені. Саме таке співвідношення робить ці конденсатори «ультра». Здатність зберігати протилежні електричні заряди в статичній рівновазі на молекулярних відстанях - їх найважливіша особливість.

Вгору, вниз і всюди

Щоб із цифрами в руках оцінити тенденції зміни характеристик конденсаторів, потрібно ввести терміни «ємність» і «фарада». Ємність характеризує унікальну здатність конденсаторів накопичувати електричну енергію (яка відрізняється від електрохімічної енергії, що накопичується в акумуляторній батареї). Фарада - одиниця виміру електричної ємності. Ємність сучасних ультраконденсаторів має діапазон до 2700 фарад, тоді як все сімейство звичайних конденсаторів випускається на ємності в діапазонах до мікрофарад (10-6 фаради), нанофарад (10-9 фаради) і навіть пікофарад (10-12 фаради).

Недавно трудомісткий процес виготовлення ультраконденсаторів був замінений автоматизованим, що призвело до істотного зменшення їх ціни. Наприклад, у середині 1980-х років ціна ультраконденсатора ємністю 470 Ф на напругу 2,3 В становила приблизно $2 за один фарад. Нині той же ультраконденсатор коштує дешевше (лише кілька десятків центів за фараду), і ця ціна в міру автоматизації ручних операцій швидко знижується. Коли ціна на ультраконденсатори впаде ще в 20 разів (до рівня нижче 0,5 цента за фараду), ці компоненти почнуть використовувати на масовому автомобільному ринку.

Зараз учені інтенсивно досліджують ультраконденсатори, гранично підвищуючи їх ємність і знижуючи ціну. У жовтні 2003 року було оголошено про випуск поліпшених ультраконденсаторів, названих конденсаторами на нанозатворах, або нановуглецевими конденсаторами. Щільність енергії в цих нових компонентах становить 50-75 ват-годин на кілограм, що більш ніж у 10 разів перевищує характеристики наявних ультраконденсаторів. У них застосовуються два вугільні електроди, виготовлені з нового запатентованого матеріалу, унікальною властивістю якого є висока пористість і здатність затримувати іони.

Як перетворити конденсатор в ультраконденсатор

Отже, найновіші дослідження науковців – дають змогу і використовувати вуглецеві нанотрубки як матеріал для електродів ультраконденсаторів. Це повязано з однорідністю їх наноскопічних пор (їх діаметр приблизно 0,8 нм), що теоретично дозволить їм запасати набагато більше електричного заряду, ніж конденсаторам з нанозатворами, якщо тільки вдасться зібрати нанотрубки в макроскопічні блоки.

 

Залежність терміну роботи конденсатора МС2600 від сили струму

Ультраконденсатори схожі на батареї - у них теж є два електроди, занурені в електроліт. Прикладення до виводів ультраконденсаторів різниці потенціалів (напруги) поляризує електроліт, таким чином, приблизно половина молекул електроліту віддає електрон іншій половині. У результаті додатно і від’ємно заряджені іони мігрують у прикладеному електричному полі до одного з електродів. Вони утворюють заряджений шар на поверхні, а електрод має протилежний знак, однак обмін електронами через поверхню електрода не відбувається завдяки його електрохімічним властивостям. Пористий сепаратор запобігає контакту між двома електродами.

Незважаючи на те, що електроди виглядають як суцільний шар легкого вуглецю, у наномасштабі він є розгалуженим лабіринтом з'єднаних одна з одною печер практично однакового розміру, стінки яких стають зарядженими, коли до електродів прикладається напруга.
Фізична модель електронів у зоні провідності металу пояснює, що відбувається у вуглеці при прикладенні напруги. Вся внутрішня поверхня кожного електрода стає межею енергетичної зони. Наприклад, відразу під поверхнею від’ємно зарядженого електрода є зона провідності, де міститься безліч електронів, що рухаються, і яким бракує енергії, щоб відірватися від поверхні. В аналогічній зоні на додатному електроді «дірки», або електронні вакансії, переміщаються під поверхнею, але не можуть відірватися назовні.

Коли додатно заряджені іони електроліту створюють шар на поверхні від’ємного електрода, вони утворять пари з електронами, що перебувають під поверхнею. Так обидва шари рознесених часток утворять конденсатор, що зберігає статичний заряд. Аналогічно на додатному електроді виникають пари з негативними іонами, створюючи другий подвійний електричний шар, що теж є конденсатором. Електрохіміки й інженери описують цей принцип роботи як конденсатор з подвійним електронним шаром.

Для кожного із двох електрохімічних подвійних шарів від’ємний і додатний заряди рознесені на відстань, що дорівнює половині діаметра іона електроліту. Така відстань молекулярного масштабу в поєднанні з гігантською площею електрода з активованого вугілля забезпечує ультраконденсаторам величезну електричну ємність.

Нині провідним виробником ультраконденсаторів є компанія Maxwell Technologies, що випускає вуглецево-вуглецеві, або симетричні, ультраконденсатори. Це означає, що конструкція обох електродів ідентична. Останнє досягнення компанії - випуск моделі ультроконденсатора MC2600, що забезпечує найкращий показник запасу енергії на масу виробу, дорівнює 4100 Вт/кг. Конденсатор розрахований на напругу 2,7 В і максимальний струм до декількох кілоампер. Слід також згадати про довгий термін служби даного конденсатора - до 1 млн циклів зарядки/розрядки (мал. 2).

Застосування ультраконденсаторів

Ультраконденсатори застосовують в автоелектриці й побутовій техніці як компоненти, здатні запасати енергію. У побутовій техніці інтерес до ультраконденсаторів пов'язаний з можливістю заміни ними акумуляторів, які використовуються для нейтралізації короткочасних провалів напруги в мережі. Ультраконденсатори застосовуються також у джерелах безперебійного живлення, призначених для критичних випадків, – наприклад, у лікарнях, банківських центрах, авіадиспетчерських, передавачах стільникового зв'язку. Таким споживачамльтраконденсатори можуть забезпечити безперервну віддачу потужності протягом короткого (кілька секунд), але критично важливого проміжку часу між відімкненням запуском місцевого дизель-генератора.

Певна річ, ультраконденсатори як компоненти систем живлення широко застосовуватимуться в автомобілях на паливних елементах. Кілька таких машин зараз виготовляє компанія Honda Motor Company, а також Toyota, General Motors та інші. Характеристики паливних елементів і ультраконденсаторів добре доповнюють один одного, особливо для машин, що рухаються із частими зупинками. Паливні елементи забезпечують енергію, необхідну для рівномірного руху, однак вона недостатня для старту й розгону. Ультраконденсатори забезпечують саме такі короткочасні піки потужності, а також запасають енергію, що виділяється при рекуперативному гальмуванні.

За матерілами Всеукраїнської галузевої газети "Електротема"

http://www.eltema.com.ua/ 

Теги та ключові фрази
як зробити лейденську банку в домашніх умовах, як з електролітичних конденсаторів зробити один великий електролітичний конденсатор, ціна мікрофарада, як виглядаэ нагытка, електролітичні конденсатори великої ємності, конденсатори елекролітичні, конденсатори, схема лейденської банки, пускові конденсатори на 100 мікрофарад ціни, характеристика акамуляторної батареї


Поділіться цією інформацією в соцмережах, дякуємо за популяризацію порталу:
Також Ви можете:

Додати до закладок Підписатись Версія для друку




Інші статті
17.11.2010р.

Електричні щити 2

Електричний щит - це початок всієї електричної частини будівлі, і не важливо, що це - величезний завод у мегаполісі або скромний будиночок у селі. Скрізь є електричні щити

18.08.2010р.

Пристрій для плавного пуску електродвигуна

Одним із самих головних недоліків асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором є наявність у них великих пускових струмів. І якщо теоретично методи їх зниження були добре розроблені вже досить давно, то ось практично всі ці розробки застосовувалися дуже в рідкісних випадках

При використанні матеріалів посилання на www.proelectro.info (для інтернет ресурсів з гіперссилкою) обов'язкове.