Введение в суперконденсаторы

Конденсатор представляет собой двухполюсный пассивный компонент, широко используемый в электронике. Почти во всех схемах, которые мы находим в электронике, используются один или несколько конденсаторов для различных целей. Конденсаторы являются наиболее часто используемым электронным компонентом после резисторов. У них есть особая способность накапливать энергию. На рынке доступны различные типы конденсаторов, но тот, который в последнее время набирает популярность и обещает замену или альтернативу батареям в будущем, представляет собой суперконденсаторы или также известные как ультраконденсаторы.. Суперконденсатор - это не что иное, как конденсатор большой емкости, значения емкости которого намного выше, чем у обычных конденсаторов, но более низкие пределы напряжения. Они могут хранить в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут принимать и передавать заряд намного быстрее, чем батареи, и выдерживают большее количество циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторные батареи.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы - это новая технология хранения энергии, которая активно развивается в наше время. Суперконденсаторы обеспечивают значительные промышленные и экономические преимущества

Емкость конденсатора измеряется в Фарадах (Ф), например, 0,1 мкФ (микрофарад), 1 мФ (миллифарад). Однако, в то время как конденсаторы более низкой стоимости довольно распространены в электронике, также доступны конденсаторы очень высокой емкости, которые накапливают энергию с гораздо более высокой плотностью и доступны с очень высоким значением емкости, вероятно, в диапазоне Фарадов.

На приведенном выше изображении показано изображение локально доступного суперконденсатора 2,7 В, 1 Фарад. Номинальное напряжение намного ниже, но емкость вышеуказанного конденсатора довольно высока.

Преимущества суперконденсатора или сверхконденсатора

Спрос на суперконденсаторы растет день ото дня. Основная причина быстрого развития и спроса связана с множеством других преимуществ суперконденсаторов, некоторые из них указаны ниже:

Он обеспечивает очень хороший срок службы - около 1 миллиона циклов зарядки.
Рабочая температура составляет от -50 до 70 градусов, что делает его пригодным для использования в бытовых приложениях.
Высокая удельная мощность до 50 раз достигается за счет батарей.
Вредные материалы, токсичные металлы не являются частью производственного процесса суперконденсаторов или ультраконденсаторов, что делает их сертифицированными как одноразовые компоненты.
Это более эффективно, чем батареи.
Не требует обслуживания по сравнению с батареями.

Суперконденсаторы хранят энергию в своем электрическом поле, но в случае батарей они используют химические соединения для хранения энергии. Кроме того, благодаря своей способности к быстрой зарядке и разрядке суперконденсаторы постепенно входят на рынок аккумуляторов. Низкое внутреннее сопротивление при очень высокой эффективности, отсутствие затрат на техническое обслуживание, более длительный срок службы - основная причина его высокого спроса на современном рынке источников питания.

Энергия в конденсаторе

Конденсатор магазин энергии в виде Q = C х V. Q означает заряд в кулонах, C - емкость в фарадах, а V - напряжение в вольтах. Таким образом, если мы увеличим емкость, запасенная энергия Q также увеличится.

Единица измерения емкости - Фарад (Ф), названная в честь М. Фарадея. Фарад - единица измерения емкости кулон / вольт. Если мы скажем конденсатор на 1 Фарад, то он будет создавать разность потенциалов в 1 вольт между своими пластинами в зависимости от заряда в 1 кулон.

1 Фарад - это конденсатор очень большой емкости для использования в качестве обычного электронного компонента. В электронике, как правило, используется емкость от микрофарад до пикофарад. Микрофарад обозначается как мкФ (1/1000000 Фарад или ^10-6 F), нанофарад - как нФ (1/1000000000 или 10 ^-9 F), а пикофарад - как пФ (1/1000000000000 или 10 ^-12 F).

Если значение становится намного выше, например, от мФ до нескольких Фарад (обычно <10Ф), это означает, что конденсатор может удерживать гораздо больше энергии между своими пластинами, этот конденсатор называется Ультраконденсатором или Суперконденсатором.

Энергия, накопленная в конденсаторе, составляет E = ½ CV ² Джоулей. E - запасенная энергия в джоулях, C - емкость в Фарадах, а V - разность потенциалов между пластинами.

Строительство

Суперконденсатор - это электрохимическое устройство. Интересно, что нет никаких химических реакций, отвечающих за сохранение его электрической энергии. Они имеют уникальную конструкцию с большой проводящей пластиной или электродом, которые расположены близко друг к другу с очень небольшой площадью поверхности. Его конструкция такая же, как у электролитического конденсатора с жидким или влажным электролитом между электродами. Здесь вы можете узнать о различных типах конденсаторов.

Суперконденсатор действует как электростатическое устройство, накапливая свою электрическую энергию в виде электрического поля между проводящими электродами.

Электроды, красный и синий, имеют двустороннее покрытие. Как правило, они изготавливаются из графитового углерода в форме углеродных нанотрубок или гелей или из особого типа проводящих активированных углей.

Чтобы блокировать большой поток электронов между электродами и прохождение положительного иона, используется пористая бумажная мембрана. Бумажная мембрана также разделяет электроды. Как мы видим на изображении выше, пористая бумажная мембрана зеленого цвета расположена посередине. Электроды и бумажный разделитель пропитаны жидким электролитом. Алюминиевая фольга используется как токоприемник, обеспечивающий электрическое соединение.

Разделительная пластина и площадь пластин отвечают за значение емкости конденсатора. Отношение можно обозначить как

Где - диэлектрическая проницаемость материала между пластинами.

А - площадь пластины

D - расстояние между пластинами

Итак, в случае суперконденсатора площадь контакта нужно увеличить, но есть ограничение. Мы не можем увеличить физическую форму или размер конденсатора. Чтобы преодолеть это ограничение, используются специальные типы электролитов, которые увеличивают проводимость между пластинами, тем самым увеличивая емкость.

Суперконденсаторы также называют конденсаторами с двойным слоем. За этим есть причина. Очень маленькое разделение и большая площадь поверхности с использованием специального электролита, поверхностный слой электролитических ионов образуют двойной слой. Он создает конструкцию из двух конденсаторов, по одному на каждом угольном электроде и называемого конденсатором с двойным слоем.

У этих конструкций есть недостаток. Напряжение на конденсаторе стало очень низким из-за напряжения разложения электролита. Напряжение сильно зависит от материала электролита, материал может ограничивать способность конденсатора накапливать электрическую энергию. Таким образом, из-за низкого напряжения на клеммах суперконденсатор можно подключить последовательно для хранения электрического заряда на полезном уровне напряжения. Из-за этого суперконденсатор, включенный последовательно, вырабатывает более высокое напряжение, чем обычно, а параллельно, емкость становится больше. Это можно четко понять с помощью описанной ниже техники построения массива суперконденсаторов.

Конструкция суперконденсатора

Чтобы сохранить заряд при требуемом полезном напряжении, суперконденсаторы необходимо соединить последовательно. А для увеличения емкости их следует подключать параллельно.

Давайте посмотрим на конструкцию массива Суперконденсатора.

На приведенном выше изображении напряжение отдельной ячейки или конденсатора обозначено как Cv, тогда как емкость одиночной ячейки обозначена как Cc. Диапазон напряжения суперконденсатора составляет от 1 В до 3 В, последовательное соединение увеличивает напряжение, а большее количество конденсаторов параллельно увеличивает емкость.

Если мы создадим массив, последовательное напряжение будет

Общее напряжение = напряжение элемента (Cv) x количество рядов

И емкость параллельно будет

Общая емкость = Емкость ячейки (Cc) x (Количество столбцов / количество строк)

пример

Нам необходимо создать устройство хранения резервных копий, и для этого потребуется супер- или суперконденсатор 2,5F с номиналом 6V.

Если нам нужно создать массив с использованием конденсаторов 1F с номиналом 3V, то каковы будут размер массива и количество конденсаторов?

Общее напряжение = Напряжение элемента x Номер строки Тогда, Номер строки = 6/3 Номер строки = 2

Означает, что два последовательно соединенных конденсатора будут иметь разность потенциалов 6 В.

Теперь емкость, Общая емкость = емкость ячейки x (номер столбца / номер строки) Тогда номер столбца = (2,5 x 2) / 1

Итак, нам нужно 2 строки и 5 столбцов.

Построим массив,

Полная энергия, хранящаяся в массиве, составляет

Суперконденсаторы хороши для хранения энергии и там, где необходима быстрая зарядка или разрядка. Он широко используется в качестве резервного устройства, где требуется резервное питание или быстрая разрядка. Они также используются в принтерах, автомобилях и различных устройствах питьевой электроники.