- Výhody superkondenzátora alebo ultrakondenzátora
- Energie v kondenzátore
- Výstavba
- Konštrukcia poľa Supercapacitor
- Príklad
Kondenzátor je dvojpólová pasívna súčasť, ktorá sa široko používa v elektronike. Takmer každý obvod, ktorý nájdeme v elektronike, používa jeden alebo viac kondenzátorov na rôzne použitie. Kondenzátory sú najpoužívanejšou elektronickou súčasťou po rezistoroch. Majú zvláštnu schopnosť akumulovať energiu. Na trhu sú k dispozícii rôzne typy kondenzátorov, ale ten, ktorý sa v poslednej dobe teší popularite a sľubuje v budúcnosti výmenu alebo alternatívu batérií, sú superkondenzátory alebo tiež známe ako ultrakapacitory.. Superkondenzátor nie je nič iné ako vysokokapacitný kondenzátor s hodnotami kapacity oveľa vyššími ako bežné kondenzátory, ale s nižšími limitmi napätia. Môžu ukladať 10 až 100-krát viac energie na jednotku objemu alebo hmotnosti ako elektrolytické kondenzátory, môžu prijímať a dodávať náboj oveľa rýchlejšie ako batérie a tolerujú viac cyklov nabíjania a vybíjania ako nabíjateľné batérie.
Superkondenzátory alebo ultrakondenzátory sú novou technológiou akumulácie energie, ktorá sa v modernej dobe intenzívne vyvíja. Superkondenzátory poskytujú významné priemyselné a ekonomické výhody
Kapacita kondenzátora sa meria vo Farad (F), ako.1uF (mikrofarad), 1mF (milifarad). Avšak zatiaľ čo kondenzátory s nízkou hodnotou sú v elektronike úplne bežné, sú k dispozícii aj kondenzátory s veľmi vysokou hodnotou, ktoré akumulujú energiu v oveľa väčšej hustote a sú k dispozícii vo veľmi vysokej kapacitnej hodnote, čo sa pravdepodobne pohybuje vo Farade.
Na obrázku vyššie je zobrazený lokálne dostupný superkondenzátor s napätím 2,7 V a 1 Farar. Menovité napätie je oveľa nižšie, ale kapacita vyššie uvedeného kondenzátora je dosť vysoká.
Výhody superkondenzátora alebo ultrakondenzátora
Dopyt po superkondenzátoroch stúpa zo dňa na deň. Hlavný dôvod rýchleho rozvoja a dopytu je spôsobený mnohými ďalšími výhodami superkondenzátorov, niektoré z nich sú uvedené nižšie:
- Poskytuje veľmi dobrú životnosť približne 1 milión nabíjacích cyklov.
- Prevádzková teplota je takmer -50 až 70 stupňov, čo je vhodné na použitie v spotrebiteľských aplikáciách.
- Vysoká hustota výkonu až 50-krát, ktorú dosahujú batérie.
- Škodlivé materiály, toxické kovy nie sú súčasťou výrobného procesu super kondenzátorov alebo ultrakondenzátorov, vďaka čomu je certifikovaný ako jednorazový komponent.
- Je to efektívnejšie ako batérie.
- V porovnaní s batériami nevyžaduje žiadnu údržbu.
Superkondenzátory skladujú energie vo svojom elektrickom poli, ale v prípade batérií používajú na akumuláciu energie chemické zlúčeniny. Vďaka svojej schopnosti rýchleho nabíjania a vybíjania sa superkondenzátory pomaly dostávajú na trh s batériami. Nízky vnútorný odpor s veľmi vysokou účinnosťou, bez nákladov na údržbu, vyššia životnosť sú hlavným dôvodom jeho vysokého dopytu na trhu s modernými zdrojmi energie.
Energie v kondenzátore
Kondenzátor ukladanie energie vo forme Q = C x V. Q je skratka pre Charge in Coulombs, C pre kapacitu vo Faradoch a V pre napätie vo voltoch. Takže ak zvýšime kapacitu, zvýši sa aj akumulovaná energia Q.
Jednotkou kapacity je Farad (F), ktorá je pomenovaná po M. Faradayovi. Farad je kapacitná jednotka vzhľadom na coulomb / volt. Ak hovoríme kondenzátor s 1 Faradom, vytvorí medzi nimi 1-voltový potenciálny rozdiel v závislosti od 1-coulombovho náboja.
1 Farad je kondenzátor veľmi veľkej hodnoty, ktorý sa používa ako všeobecný elektronický komponent. V elektronike sa všeobecne používa kapacita mikrofaradov na Pico farad. Mikrofarad je označený ako uF (1/1 000 000 Farad alebo 10-6 F), nano farad ako nF (1/1 000 000 000 alebo 10-9 F) a Pico farad ako pF (1/1 000 000 000 000 alebo 10-12 F)
Ak je hodnota oveľa vyššia, napríklad mF až niekoľko Faradov (všeobecne <10F), znamená to, že kondenzátor môže obsahovať oveľa viac energie medzi doskami, tento kondenzátor sa nazýva Ultra kondenzátor alebo Supercapacitor.
Energie uložené v kondenzátore sú E = ½ CV 2 Joule. E je akumulovaná energia v jouloch, C je kapacita vo Faradovi a V je potenciálny rozdiel medzi doskami.
Výstavba
Superkondenzátor je elektrochemické zariadenie. Je zaujímavé, že za ukladanie jeho elektrickej energie nie sú zodpovedné žiadne chemické reakcie. Majú jedinečnú konštrukciu s veľkou vodivou doskou alebo elektródou, ktoré sú blízko seba a majú veľmi malú plochu. Jeho konštrukcia je rovnaká ako elektrolytický kondenzátor s kvapalným alebo mokrým elektrolytom medzi jeho elektródami. Tu sa môžete dozvedieť viac o rôznych typoch kondenzátorov.
Superkondenzátor funguje ako elektrostatické zariadenie, ktoré uchováva svoju elektrickú energiu ako elektrické pole medzi vodivými elektródami.
Elektródy, červené a modré, sú obojstranne potiahnuté. Spravidla sú vyrobené z grafitového uhlíka vo forme uhlíkových nanorúrok alebo gélov alebo zo špeciálneho typu vodivých aktívnych uhlíkov.
Na blokovanie veľkého toku elektrónov medzi elektródami a prechodu kladného iónu sa používa porézna papierová membrána. Papierová membrána tiež oddeľuje elektródy. Ako vidíme na obrázku vyššie, porézna papierová membrána je umiestnená v strede, ktorý má zelenú farbu. Elektródy a separátor papiera sú impregnované kvapalným elektrolytom. Hliníková fólia sa používa ako zberač prúdu, ktorým sa vytvára elektrické spojenie.
Separačná doska a plocha dosiek sú zodpovedné za hodnotu kapacity kondenzátora. Vzťah možno označiť ako
Kde, Ɛ je permitivita materiálu prítomného medzi doskami
A je oblasť platne
D je vzdialenosť medzi doskami
Takže v prípade superkondenzátora je potrebné zväčšiť kontaktnú plochu, existuje však obmedzenie. Fyzický tvar alebo veľkosť kondenzátora nemôžeme zväčšiť. Na prekonanie tohto obmedzenia sa na zvýšenie vodivosti medzi doskami používajú špeciálne typy elektrolytov, čím sa zvyšuje kapacita.
Superkondenzátory sa tiež nazývajú ako dvojvrstvový kondenzátor. Má to svoj dôvod. Veľmi malá separácia a veľká plocha povrchu pomocou špeciálneho elektrolytu vytvára povrchovú vrstvu elektrolytických iónov dvojitou vrstvou. Vytvára dve kondenzátorové konštrukcie, jednu na každej uhlíkovej elektróde a pomenovanú dvojvrstvový kondenzátor.
Tieto konštrukcie majú nevýhodu. Napätie na kondenzátore bolo veľmi nízke z dôvodu rozkladného napätia elektrolytu. Napätie je vysoko závislé od materiálu elektrolytu, materiál môže obmedziť kapacitu kondenzátora na akumuláciu elektrickej energie. Vďaka nízkemu svorkovému napätiu teda možno superkondenzátor zapojiť do série na ukladanie elektrického náboja pri užitočnej úrovni napätia. Vďaka tomu produkuje sériový kondenzátor vyššie napätie ako obvykle a paralelne sa kapacita zväčšuje. Dá sa to jasne pochopiť pomocou techniky výstavby Supercapacitor Array Construction.
Konštrukcia poľa Supercapacitor
Na uchovanie náboja pri potrebnom požadovanom napätí musia byť superkondenzátory zapojené do série. A na zvýšenie kapacity by mali byť zapojené paralelne.
Pozrime sa na zostavu poľa Supercapacitora.
Na vyššie uvedenom obrázku je napätie článku jedného článku alebo kondenzátora označené ako Cv, zatiaľ čo kapacita jedného článku je označená ako Cc. Rozsah napätia superkondenzátora je od 1 V do 3 V, sériové zapojenia zvyšujú napätie a viac kondenzátorov paralelne zvyšuje kapacitu.
Ak vytvoríme pole, napätie v sérii bude
Celkové napätie = napätie článku (Cv) x počet riadkov
A kapacita paralelne bude
Celková kapacita = kapacita bunky (Cc) x (počet stĺpcov / počet riadkov)
Príklad
Musíme vytvoriť záložné úložné zariadenie a na to je potrebný 2,5F super alebo superkondenzátor s hodnotením 6V.
Ak potrebujeme vytvoriť pole pomocou kondenzátorov 1F s hodnotením 3V, aká bude veľkosť poľa a množstvo kondenzátorov?
Celkové napätie = Napätie článku x Číslo riadku Potom, Číslo riadku = 6/3 Číslo riadku = 2
Znamená to, že dva kondenzátory v sérii budú mať rozdiel potenciálov 6V.
Teraz, kapacita, Celková kapacita = kapacita bunky x (číslo stĺpca / číslo riadku) , potom počet stĺpcov = (2,5 x 2) / 1
Potrebujeme teda 2 riadky a 5 stĺpce.
Vytvorme pole,
Celková energia uložená v poli je
Superkondenzátory sú dobré pri ukladaní energie a tam, kde je potrebné rýchle nabíjanie alebo vybíjanie. Je široko používaný ako záložné zariadenie, kde je potrebné zálohovať napájanie alebo rýchle vybitie. Ďalej sa používajú v tlačiarňach, automobiloch a rôznych zariadeniach na pitnú elektroniku.