Uvod u superkondenzatore

S razvojem društva i gospodarstva ljudi sve više pažnje posvećuju zelenoj energiji i ekološkom okolišu. Kao novi tip uređaja za pohranu energije, superkondenzatori privlače sve više pozornosti zbog svojih nezamjenjivih prednosti. Inženjeri su počeli zamjenjivati ​​tradicionalne baterije superkondenzatorima u nekim dizajnima koji zahtijevaju rješenja velike snage i učinkovitosti. Nedostaci u tehnologiji baterija Nove baterije kao što su Li-ion i NiMH mogu pružiti pouzdano rješenje za pohranu energije i široko su korištene u mnogim područjima. Kao što svi znamo, kemijske baterije pohranjuju električne naboje putem elektrokemijskih reakcija, što rezultira Faradayevim prijenosom naboja. Imaju kratak radni vijek i na njih jako utječe temperatura. To je također poteškoća s kojom se susreću dizajneri olovnih baterija (baterija).

Istodobno, velika struja može izravno utjecati na životni vijek ovih baterija, tako da za neke primjene koje zahtijevaju dug vijek trajanja i visoku pouzdanost, ove baterije temeljene na kemijskim reakcijama pokazuju različite nedostatke. Značajke i prednosti superkondenzatora Princip superkondenzatora nije nova tehnologija. Većina uobičajenih superkondenzatora ima strukturu dvostrukog električnog sloja. U usporedbi s elektrolitičkim kondenzatorima, ovaj superkondenzator ima vrlo visoku gustoću energije i gustoću snage. U usporedbi s tradicionalnim kondenzatorima i sekundarnim baterijama, superkondenzatori imaju veći kapacitet pohranjivanja napunjenosti od običnih kondenzatora i imaju karakteristike brze brzine punjenja i pražnjenja, visoke učinkovitosti, bez zagađenja okoliša, dugog životnog ciklusa, širokog raspona radnih temperatura i visoke sigurnosti. . Osim mogućnosti brzog punjenja i pražnjenja, još jedna ključna značajka superkondenzatora je njihova niska impedancija. Dakle, kada je superkondenzator potpuno ispražnjen, pokazat će karakteristiku malog otpora, a ako nema ograničenja, povući će moguću struju izvora.

Stoga se mora koristiti punjač konstantne struje ili konstantnog napona. Prije 10 godina, superkondenzatori su se mogli prodati samo u vrlo malim količinama svake godine, a cijena je bila vrlo skupa, oko 1 do 2 američka dolara/farad. Sada su superkondenzatori isporučeni na tržište u velikim količinama kao standardni proizvodi, a cijena je znatno smanjena, s prosjekom od 0,01. ~0,02 USD/farad. U posljednjih nekoliko godina, superkondenzatori su počeli ulaziti u mnoga područja primjene, kao što su potrošačka elektronika, industrija i transport. Struktura superkondenzatora Iako postoji mnogo proizvođača superkondenzatora u svijetu, koji mogu proizvesti mnoge vrste superkondenzatora, većina proizvoda se temelji na sličnoj strukturi dvostrukog električnog sloja. Struktura superkondenzatora slična je strukturi elektrolitskih kondenzatora. Vrlo slični, njihova glavna razlika je materijal elektrode. Elektrode prvih superkondenzatora bile su izrađene od ugljika. Materijal ugljične elektrode ima veliku površinu, a kapacitet ovisi o udaljenosti između površine i elektroda. Može biti vrlo velik, većina superkondenzatora može biti na razini farada, a opći raspon kapaciteta je 1 ~ 5000F. Korištenje superkondenzatora Superkondenzatori imaju širok raspon namjena. U kombinaciji sa tvarima visoke gustoće energije kao što su gorivne ćelije, superkondenzatori mogu osigurati brzo oslobađanje energije kako bi zadovoljili visoke zahtjeve za snagom, omogućujući gorivim ćelijama da se koriste samo kao izvor energije. Trenutačno gustoća energije superkondenzatora može biti čak 20kW/kg, što je počelo zauzimati ovaj dio tržišta između tradicionalnih kondenzatora i baterija.

U onim aplikacijama koje zahtijevaju visoku pouzdanost, ali niske energetske zahtjeve, superkondenzatori se mogu koristiti za zamjenu baterija ili se superkondenzatori i baterije mogu kombinirati za aplikacije s visokim energetskim zahtjevima, tako da se mogu koristiti manje veličine. , štedljivije baterije. Superkondenzatori imaju vrlo niske ESR vrijednosti, što im omogućuje stvaranje velikih struja i brzo smanjenje velikih struja. U usporedbi s principom kemijskog punjenja, princip rada superkondenzatora čini performanse ovog proizvoda stabilnijim, pa je stoga radni vijek superkondenzatora duži. Superkondenzatori su idealan izvor energije za uređaje koji zahtijevaju brzo punjenje, kao što su električni alati i igračke. Neki su proizvodi prikladni za hibridni sustav baterija/superkondenzator. Korištenjem superkondenzatora može se izbjeći korištenje glomaznih baterija kako bi se dobilo više energije. Primjer su digitalni fotoaparati u potrošačkoj elektronici, gdje uporaba superkondenzatora omogućuje digitalnim fotoaparatima korištenje jeftinih alkalnih baterija (umjesto skupih Li-ion baterija). Nazivni raspon napona superkondenzatorskih ćelija (ćelija) je 2,5 do 2,7 V, tako da mnoge primjene zahtijevaju upotrebu više superkondenzatorskih ćelija. Prilikom povezivanja ovih ćelija u seriju, projektant treba uzeti u obzir ravnotežu i punjenje između ćelija. Svaki superkondenzator će se isprazniti kroz unutarnji paralelni otpor kada je pod naponom. Ova struja pražnjenja naziva se struja curenja, što će utjecati na samopražnjenje jedinice superkondenzatora.

Slično nekim tehnologijama sekundarnih baterija, naponi superkondenzatora moraju biti uravnoteženi kada se koriste u seriji jer postoji struja curenja i veličina unutarnjeg otpora shunta će odrediti distribuciju napona preko serijski povezanih ćelija superkondenzatora. Kada se napon na superkondenzatoru stabilizira, napon na svakoj jedinici će se mijenjati sa strujom curenja, a ne sa vrijednošću kapacitivnosti. Što je veća struja curenja, to je manji nazivni napon, naprotiv, što je manja struja curenja, to je veći nazivni napon. To je zato što struja curenja uzrokuje pražnjenje ćelije superkondenzatora, snižavajući napon, što zauzvrat utječe na napone drugih ćelija u seriji s njom (pod pretpostavkom da se te ćelije u seriji napajaju istim konstantnim naponom). Kako bi se kompenzirala varijacija struje curenja, uobičajena je metoda spajanje otpornika paralelno uz svaku jedinicu kako bi se kontrolirala struja curenja cijele jedinice. Ova metoda učinkovito smanjuje varijaciju odgovarajućeg paralelnog otpora između jedinica.

Druga preporučena metoda je aktivno balansiranje ćelija, u kojem se svaka ćelija aktivno prati i uravnotežuje jedna s drugom kada dođe do promjene napona. Ovaj pristup smanjuje svako dodatno opterećenje jedinice, čineći rad učinkovitijim. Ako napon prekorači nazivni napon jedinice, životni vijek jedinice će se skratiti. Za superkondenzatore visoke pouzdanosti ključna je točka kako održati napon unutar potrebnog raspona, a napon punjenja mora se kontrolirati kako bi se osiguralo da ne premaši nazivni napon svake ćelije.