Cамодельный ионистор - суперконденсатор делаем своими руками. Холодный пуск двс

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…

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» свойственнен 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.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

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.

Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

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.

Принципиальная схема источника бесперебойного питания
напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
на одной микосхеме производства LinearTechnology

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:

E = CU 2 /2,
где C - емкость, выраженная в фарадах, U - напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

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

W = CU 2 /7200000

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.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием
от солнечных батарей, накопление энергии
в котором осуществляется в суперконденсаторе

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.

Суперконденсаторы можно назвать ярчайшей разработкой последних лет. В сравнении с конденсаторами обычными они, при тех же габаритах, отличаются на три порядка большей емкостью. За это конденсаторы и получили свою приставку – «супер». За малый промежуток времени они могут отдавать огромное количество энергии.

Выпускаются они различных размеров и форм: от совсем маленьких, крепятся которые на поверхности приборов, не больше монетки по размерам, до очень крупных цилиндрических и призматических. Основным их назначением является дублирование источника основного (батареи) в случае падения напряжения.

Энергоемкие современные электронные и электрические системы к источникам питания выдвигают высокие требования. Появившееся оборудование (от цифровых камер до электронных портативных устройств и электрических трансмиссий транспортных средств) нуждается в аккумулировании и подаче необходимой энергии.

Решается эта задача современными разработчиками двумя путями:

• Использованием аккумулятора, способного обеспечивать высокий импульс тока
• Присоединением параллельно батарее в качестве страховки суперконденсаторов, т.е. «гибридное» решение.

В последнем случае суперконденсатор выполняет функцию источника питания при падении напряжения на аккумуляторе. Обусловлено это тем, что батареи обладают высокой плотностью энергии и малой плотностью мощности, в то время как суперконденсаторы, наоборот, характеризуются малой плотностью энергии, но высокой плотностью мощности, т.е. они обеспечивают ток разрядки на нагрузку. Включив суперконденсатор параллельно батарее, можно ее использовать более эффективно, следовательно, продлить срок службы.

Где используют суперконденсаторы

Видео: Тест суперконденсатора 116,6F 15V (6* 700F 2,5В), вместо стартерного аккумулятора в автомобиле

В автомобильных электронных системах их используют для запуска моторов , тем самым сокращая нагрузку на аккумулятор. Также они позволяют уменьшить массу, сократив монтажные схемы. Широкое применение они находят в гибридных авто, где генератором управляет ДВС, а электрический мотор (или моторы) приводят автомобиль в движение, т.е. суперконденсатор (энергетический кэш) используется в качестве источника тока при ускорении и начале движения, а во время торможения происходит его «подзарядка». Перспективно применение их не только в легковом, но и в городском транспорте, поскольку новый вид конденсаторов позволяет на 50% сократить потребление топлива и на 90% сократить выброс вредных газов в окружающее пространство.

Заменить полностью батарею суперконденсаторы пока не могу, но это только вопрос времени. Использовать суперконденсатор вместо аккумулятора – вовсе не фантастика. Если ученые — нанотехнологи из университета QUT идут по правильному пути, то в скором будущее это станет реальностью. Выступать в качестве аккумуляторов смогут панели кузова, внутри которых стоят суперконденсаторы последнего поколения. Сотрудникам этого университета удалось объединить в новом устройстве преимущества батарей литий-ионных и суперконденсаторов. Состоит новый тонкий, легкий и мощный суперконденсатор из карбоновых электродов, находящегося между ними электролита. Новинку, как утверждают ученые, устанавливать можно в любом месте кузова.

Улучшить же благодаря большому крутящему моменту (пусковому) стартовые характеристики при низких температурах и расширить возможности системы питания, им под силу уже сейчас. Целесообразность их использования в системе питания объясняется тем, что время их зарядки/разрядки равно 5-60 секунд. Помимо этого использовать их можно системе распределительной некоторых приборов машины: соленоидов, систем регулировки дверных замков и положения оконных стекол.

Суперконденсатор своими руками

Можно изготовить суперконденсатор своими руками. Поскольку конструкция его состоит из электролита и электродов, нужно определиться с материалом для них. Для электродов вполне подойдет медь, нержавейка или латунь. Можно взять, к примеру, пятикопеечные старые монеты. Нужен будет еще угольный порошок (в аптеке можно купить активированный уголь и измельчить его). В качестве электролита «сгодится» обычная вода, в которой растворить нужно поваренную соль (100:25). Раствор смешивается с угольным порошком, чтобы получилась консистенция замазки. Теперь ее слоем в несколько миллиметров необходимо нанести на оба электрода.

Осталось подобрать прокладку, разделяющую электроды, сквозь поры которой свободно будет проходить электролит, но задерживаться будет угольный порошок. Подойдет для этих целей стеклоткань или поролон.

Электроды – 1,5; обмазка угольно-электролитная – 2,4; прокладка – 3.

В качестве кожуха использовать можно пластмассовую коробочку, просверлив в ней предварительно отверстия для проводов, припаянных к электродам. Подсоединив провода к батарейке, ожидаем, пока зарядится конструкция «ионикс», названная так потому, что на электродах образоваться должна разная концентрация ионов. Проверить заряд проще с помощью вольтметра.

Есть и другие способы. Например, используя оловянную бумагу (станиолевую фольгу – обертку от шоколадки), куски жести и парафинированную бумагу, изготовить которую можно самостоятельно, нарезав и погрузив на пару минут в расплавленный, но не кипящий, парафин полоски папиросной бумаги. Ширина полосок должна быть пятьдесят миллиметров, а длина от двухсот до трехсот миллиметров. Вынув полоски из парафина, необходимо соскоблить тупой стороной ножа парафин.

Пропитанную парафином бумагу складывают в виде гармошки (как на рисунке). С обеих стороны в промежутки вкладываются листы станиолевые, которые соответствуют размеру 45х30 миллиметров. Подготовив, таким образом, заготовку, ее складывают, затем, проглаживают теплым утюгом. Оставшиеся станиолевые концы снаружи соединяют между собой. Можно использовать для этого картонные пластинки и латунные с жестяными обоймами, к которым позже припаиваются проводники для того, чтобы при монтаже можно было припаять конденсатор.

Емкость конденсатора зависит от количества станиолевых листочков. Она равна, например, тысяче пикофарад при использовании десяти таких листков, и двум тысячам, если их количество увеличить вдвое. Такая технология пригодна для изготовления конденсаторов емкостью до пяти тысяч пикофарад.

Если же необходима большая емкость, то необходимо иметь старый микрофарадный бумажный конденсатор, представляет собой который, рулон из ленты, состоящей из полос парафинированной бумаги, между которыми проложена полоса фольги станиолевой.

Для определения длины полос, пользуются формулой:

l = 0,014 С/а, где емкость необходимого конденсатора в пФ — С; ширина полос в см – а: длина в см – 1.

Отмотав от старого конденсатора полоски нужной длины, обрезают со всех сторон на 10 мм фольгу, чтобы между собой не дать соединиться обкладкам конденсатора.

Вновь ленту нужно свернуть, но сначала припаяв многожильные провода к каждой полоске фольги. Сверху конструкцию обклеивают плотной бумагой, а на края бумаги, которые выступают, заделывают два монтажных провода (жестких), к которым припаиваются с внутренней стороны гильзы бумажной выводы от конденсатора (см. рисунок). Последний шаг – заливка конструкции парафином.

Преимущества карбоновых суперконденсаторов

Поскольку шествие электротранспорта по планете сегодня нельзя не замечать, ученые работают над вопросом, связанным с его быстрейшей зарядкой. Идей возникает множество, но претворяются в жизнь единицы. В Китае, например, в городе Нинбо запущен необычный маршрут городского транспорта. Автобус, курсирующий по нему, работает от электромотора, но на зарядку ему требуется всего десять секунд. На ней он преодолевает пять километров и вновь, во время высадки/посадки пассажиров, успевает подзарядиться.

Возможным стало это благодаря использованию нового типа конденсаторов – карбоновых.

Карбоновые конденсаторы выдерживают около миллиона циклов перезарядки, отлично работают в диапазоне температур от минус сорока до плюс шестидесяти пяти градусов. До 80% энергии они возвращают при рекуперации.

Они открыли новую эру в управлении питанием, сократив до наносекунд время разрядки и зарядки, снизив вес автомобиля. К этим достоинствам можно добавить невысокую стоимость, поскольку в изготовлении не применяются редкоземельные металлы и экологичность.

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что имеет очень большую емкость. Конденсатор хранит энергию с помощью статического заряда, в противовес электрохимическим реакциям батареи. Применение дифференциального напряжения на положительную и отрицательную пластины заряжает конденсатор. Это похоже на накопление статического заряда при трении. Прикосновение же к пластине конденсатора высвободит энергию.

Существует три типа конденсаторов, основным среди них является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Эта классическая модель конденсатора имеет очень маленькую емкость и в основном используется в радиоэлектронике. Емкость конденсатора измеряется в фарадах и для электростатического колеблется в диапазоне пикофарад (пФ).

Следующий тип конденсатора - электролитический, он обеспечивает более высокую емкость в сравнении электростатическим и оценивается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада. Сепаратор в таких конденсаторах влажного типа. Как и в электрических батареях, конденсаторы имеют разные полюса, которые необходимо соблюдать при использовании.

Третий тип – это суперконденсатор, его емкость оценивается в фарадах и в тысячи раз больше емкости электролитического. Суперконденсатор используется для хранения энергии, подвергающейся частым циклам заряда/разряда при высоких значениях силы тока и короткой длительности.

Единица измерения емкости фарад, названа так в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад хранит один кулон электрического заряда при напряжении один вольт. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а пикофарад в миллион раз меньше микрофарада.

Инженеры General Electric начали экспериментировать с ранней версией суперконденсатора еще в 1957 году, но коммерческого интереса эти разработки не вызвали. В 1966 году Standart Oil заново случайно обнаружили эффект двухслойного конденсатора во время работы с экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двухслойная структура значительно улучшала способность накапливать энергию. Технология снова не была коммерциализирована и лишь 1990-х нашла свое применение.

Развитие суперконденсаторов тесно переплетено с технологиями электрохимических источников тока, именно оттуда были позаимствованы специальные электроды и электролит. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, асимметричный двухслойный электрохимический конденсатор (AEDLC) использует батарееподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это ограничивает его жизненный цикл и наделяет ограничениями, схожими на ограничения электрохимического источника тока. Многообещающим выглядит использование графена в качестве материала электрода, но исследования в этом направлении пока только ведутся.

Было испробовано много типов электродов, и наиболее распространенной системой электрохимического двухслойного суперконденсатора сегодня является версия на основе углерода с органическим электролитом. Неоспоримым преимуществом такого суперконденсатора является простота изготовления.

Все конденсаторы имеют предел напряжения. В то время как электростатический конденсатор является высоковольтным, суперконденсатор ограничен напряжением в 2,5-2,7 В. Повышение значения напряжения выше этого уровня возможно, но негативно сказывается на продолжительности срока службы. Поэтому для получения более высокого напряжения используют последовательное соединение нескольких суперконденсаторов. В свою очередь, последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Такое соединение более чем трех конденсаторов требует дополнительной балансировки для избежания перенапряжения отдельной ячейки. Похожим образом реализована система защиты литий-ионного аккумулятора.

Возьмите источник тока с номинальным напряжением 6 В и напряжением отсечки 4,5 В. Если этот источник тока – суперконденсатор, то из-за своего линейного характера разряда он достигнет точки отсечки еще в первой четверти цикла, остальные три четверти энергетического резерва будут недоступными для использования. Можно конечно дополнительно использовать преобразователь напряжения - он позволит пользоваться источником питания и с низким значением напряжения, но это добавляет дополнительные расходы и приводит к потерям энергии. Электрическая же батарея имеет график разряда в виде относительно прямой линии, что позволяет использовать от 90 до 95 % накопленной в ней энергии.

На рисунках 1 и 2 показаны характеристики тока и напряжения при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение увеличивается линейно, а ток проседает, когда конденсатор полностью зарядился, вследствие этого даже отпадает необходимость использования системы детектирования полного заряда. При разрядке напряжение уменьшается также линейно. Для поддержания постоянного уровня потребляемой мощности при падении напряжения, преобразователь напряжения будет потреблять все большую силу тока. Разряд будет достигнут, когда нагрузочные требования больше не могут быть удовлетворены.

Рисунок 1: Зарядные характеристики суперконденсатора. Напряжение линейно растет при постоянном уровне тока заряда. При полном заполнении конденсатора зарядный ток падает.

Рисунок 2: Разрядные характеристики суперконденсатора. При разряде напряжение снижается линейно. Опциональный преобразователь напряжения может поддерживать определенный показатель напряжения, но это увеличивает показатель силы тока разряда.

Время зарядки суперконденсатора составляет от 1 до 10 секунд. Зарядные характеристики аналогичны характеристикам электрохимических батарей, и в значительной степени ограничены допустимой силой тока зарядного устройства. Суперконденсатор невозможно зарядить сверх его емкости, вследствие этого ему не нужна система детектирования полного заряда - ток просто перестает течь в него.

В таблице 3 сравниваются суперконденсатор и стандартный литий-ионный аккумулятор.

Таблица 3: Сравнение производительности суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора.

Суперконденсатор может заряжаться и разряжаться практически неограниченное число раз. В отличии от электрохимической батареи, в которую заложен жизненный цикл определенного размера, суперконденсатор практически нечувствителен к воздействию циклического режима работы. Также слабее на него действуют и возрастные изменения, связанные с деградацией материалов. При нормальных условиях емкость суперконденсатора после 10 лет эксплуатации сохраняется на уровне 80% от номинальной. Но работа с высокими напряжениями может снизить его срок жизни. Также стоит отметить преимущество суперконденсатора по температурным показателях - слабым местом всех электрохимических источников тока.

Саморазряд суперконденсатора значительно выше у обычных конденсаторов и немного превышает показатель электрохимической батареи. Причиной такого высокого саморазряда, главным образом, выступают свойства органического электролита. Для сравнения, суперконденсатор теряет половину запасенной энергии за 30-40 дней, а свинцовые и литиевые аккумуляторы саморазряжаются всего на 5% в месяц.

Применение суперконденсаторов

Суперконденсаторы являются идеальным выбором в случаях, где возникает краткосрочная потребность в питании и есть возможность быстрой зарядки. В противовес этому, электрохимические батареи оптимизированы для обеспечения относительно долгосрочного электропитания. Объединение этих двух систем в гибридный источник питания позволяет использовать сильные стороны каждой. Такие гибриды уже существуют, например, в виде союза суперконденсатора и свинцово-кислотной электрохимической системы .

Суперконденсаторы находят свое применение в системах, где необходимо обеспечение питания продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, и также могут быть быстро заряжены. Подобными качествами располагает и маховик (инерционный аккумулятор), поэтому суперконденсатор может выступать ему альтернативой в определенных процессах, например, транспортной сфере.

Сегодня продолжаются испытания системы суперконденсаторов мощностью 2 мВт и системы маховиков мощностью 2,5 мВт для обеспечения движения Нью-Йоркской железной дороги (Long Island Rail Road - LIRR). Целью этих испытаний является поиск решения проблемы проседания напряжения при разгоне. Обе системы должны обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии определенной мощности в течение 30 секунд, а также заряжаться за такой же период времени. Главными требованиями являются колебание напряжения в диапазоне не более 10 %, низкие эксплуатационные расходы и долговечность не менее 20 лет. (Пока что больший интерес вызывали маховики, так как считается, что они более прочные и экономичные, но испытания еще продолжаются).

Япония также активно исследует и развивает использование суперконденсаторов. Уже существуют 4 мВт системы, установленные в зданиях, предназначение которых заключается в уменьшении нагрузки на электросети в часы пик. Также существуют системы, обеспечивающие кратковременное электропитание в моменты между отключением электричества и запуском резервных генераторов.

Технологии суперконденсаторов также смогли проникнуть в область электротранспорта. Возможность зарядки за счет сил торможения и способность обеспечения высоких показателей силы тока для ускорения делают суперконденсаторы крайне интересными для гибридных и электрических транспортных средств. Широкий диапазон рабочих температур и долговечность дают преимущество над электрохимическими батареями в этой сфере.

Но недостатки суперконденсаторов, такие как низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость, побуждают некоторых разработчиков делать выбор в пользу более емкого аккумулятора за ту же стоимость. В таблице 4 приведены преимущества и недостатки суперконденсаторов.