Использование суперконденсаторов: что это, зачем и где применяется / Хабр

Содержание

что это, зачем и где применяется / Хабр

Энергетика — крайне интересная сфера, которая развивается бурными темпами много лет подряд. На Хабре публикуются самые разные статьи об альтернативных источниках энергии, аккумуляторных батареях от Маска, электромобилях и т.п.

Но есть одна тема, которая затрагивается не так уж и часто. Речь идет о суперконденсаторах. Им как раз посвящена эта статья, в ней раскрывается суть суперконденсатора, сферы применения, плюс описываются кейсы из разных отраслей — промышленности, транспорта и т.п., где используются эти системы.

Суперконденсатор, что ты такое?

Все мы знаем, что такое аккумулятор — это источник постоянной мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и маленькие, применяются они крайне широко — от транспорта до игрушек.

Но эта статья посвящена суперконденсаторам, так что пришло время рассказать о них. Так вот, любой суперконденсатор — это источник не постоянной, а импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах короткого замыкания.

Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на небольшой срок.

Суперконденсаторы называют еще ионисторами. Эти элементы состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора. Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью.

У суперконденсаторов два положительных свойства — высокая мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода суперконденсаторов — активный углерод, у которого две важные особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое расстояние между разделенными зарядами.

Еще один положительный момент — длительный срок хранения и продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это — благодаря особенностям накопления энергии. Так, суперконденсаторы работают за счет разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию суперконденсаторы могут действительно быстро.

Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В отличие от аккумуляторов, где основная характеристика — это емкость, измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула, которая позволяет определить энергию суперконденсатора:

Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)

Есть несколько видов суперконденсаторов:

Двойнослойные, или ДСК.
Псевдоконденсаторы.
Гибридные конденсаторы.

В первом случае система состоит из двух пористых электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором. Запас энергии идет за счет разделения заряда на электродах с очень большой разностью потенциалов.

Во втором — система включает два твердых электрода и базируется на двух механизмах сохранения энергии. Это фарадеевские процессы и электростатическое взаимодействие.

Третий вариант — переходный между конденсаторами и аккумуляторами. Электроды здесь выполнены из разных материалов, а накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.

Где могут использоваться суперконденсаторы?

Вполне логичный ответ — в отраслях, где нужно отдавать энергию быстро и в большом объеме. В частности, это может быть:

Альтернативная энергетика, накопление энергии при помощи топлива, волн ветра и солнца.
Транспортные системы — это может быть запуск двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, локомотивы и т.п.
Накопители энергии в домохозяйствах — например, там, где используются фотоэлементы или ветрогенераторы.
Электронные устройства, где суперконденсаторы используются в качестве источника кратковременного питания.
ИБП — как небольшого размера, так и очень большие. В системах бесперебойного электропитания суперконденсаторы можно использовать совместно с топливными элементами и другими источниками.

Традиционная энергетика, в сферах, где неизбежны критические нагрузки, но где требуется бесперебойная работа всего и вся. Это могут быть аэропорты, вышки связи, больницы и т.п.
Электронные устройства разного размера и мощности.

Что касается ветроэнергетики и солнечной энергетики, то суперконденсаторы здесь стоит использовать для развертывания гибридных систем накопления энергии, которые включают в себя как накопитель на Li-Ion батареях, так и накопитель на основе суперконденсаторов.

Примеры

Их можно привести большое количество, но разумно будет ограничиться тремя наиболее показательными.

Частотно-регулируемый электропривод. Здесь суперконденсаторы нужны при просадках напряжения и кратковременном, не более 10 секунд, блэкауте.

Такие приводы используются на участках непрерывного технологического цикла на производственных объектах. Кроме того, суперконденсаторы стоит использовать на предприятии и в системах, которые снабжают объект газом, водой, теплом и энергией, т.п. на компрессорных станциях, в котельных, насосных станциях и т.п.

Источник бесперебойного питания. В этом случае суперконденсаторы дают возможность компенсировать провалы напряжения, которые приводят к проблемам с непрерывностью технологических процессов. Здесь речь идет о крупных объектах, включая промышленность и разного рода инфраструктуру — например, транспортную.

Суперконденсаторы, в частности, используются на заводе Skoda в Чехии, а именно — роботизированном цехе по покраске корпусов автомобилей. Если процесс окрашивания по какой-либо причине остановится, потом корпус придется возвращать в начало цикла.

Регулирование выходной мощности турбин ветрогенераторов.

Большая проблема альтернативной энергетики — сложность поддержания выходной мощности турбин на одном уровне.

Чем выше скорость ветра и сам он мощнее, тем больше вырабатывается энергии. Чем ниже, соответственно — тем энергии меньше. В итоге выходная мощность турбин может меняться, и очень значительно.

В этом случае суперконденсатор может помочь, причем сразу несколькими способами:

Поддержание электропитания на прежнем уровне на время кратковременного пропадания напряжения.
Обеспечение стабилизации частоты и напряжения в передающих и распределительных сетях с высокой концентрацией возобновляемых источников энергии.

Производят ли суперконденсаторы в России?

Да, на Хабре еще несколько лет назад публиковалась новость о том, что в НИТУ «МИСис» разработала технологию, которая открыла возможность отечественной компании запустить производство суперконденсаторов.

Так, в 2017 году компания ТЭЭМП запустила в г. Химки производство высокоэффективных суперконденсаторов и модулей на их основе. При этом все это — чисто российские разработки. ТЭЭМП, к слову, производит плоские единичные элементы в ламинированном корпусе, который может использоваться в химических источниках тока с органическими электролитами: суперконденсаторах, литий-ионных аккумуляторах, металло-воздушных источниках тока.

При этом, ТЭЭМП производит ячейки собственной запатентованной конструкции – призматическая ячейка с токосъемом по всей ее поверхности. И сделано это не для того, чтобы показать свою уникальность, а чисто с практической точки зрения – распределенный по всей поверхности токосъем обеспечивает равномерность тепловых полей, тем самым замедляя процесс деградации и продлевая срок службы суперконденсатора.

Продукция «ТЭЭМП» уникальна по многим параметрам. Суперконденсаторные модули компании успешно работают при температурах до -60°С. Они отличаются низким внутренним сопротивлением, а значит, способны обеспечить большие импульсные токи. Собственная конструкция ячеек и модулей позволяет снизить массу и размер суперконденсаторной сборки на 30% по сравнению с аналогичными устройствами.

В сухом остатке

В качестве вывода можно подвести итоги, указав преимущества и недостатки суперконденсаторов. Некоторые из них упоминались выше, но сейчас стоит перечислить все это отдельно.

Итак, достоинства:

Относительно невысокая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 Фарад.

Крайне высокая плотность мощности.
Высокий КПД цикла, который достигает 95% и выше.
Надежность, длительный срок службы.
Широкий диапазон рабочих температур.
Огромное количество циклов с неизменными параметрами.
Высокая скорость заряда и разряда.
Допустимость разряда до нуля.
Относительно небольшой вес.

Недостатки:

Относительно небольшая энергетическая плотность.
Высокая степень саморазряда. Небольшое напряжение из расчета на единицу элемента.

Достоинств все же больше, чем недостатков, и благодаря этому технология активно внедряется во все большее количество отраслей. Сейчас удельная емкость суперконденсаторов увеличивается, а время заряда — наоборот, снижается. При достижении определенного предела можно будет говорить о полной замене аккумуляторов на суперконденсаторов в некоторых сферах, что, в целом, уже и происходит.

Суперконденсаторы. Устройство и применение. Виды и работа

Суперконденсаторы — это электрохимические конденсаторы, которые существенно отличаются от обычных практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока и большими значениями удельной мощности. При этом они имеют на порядок меньшие габариты. То есть это батарея нового поколения, которая сможет открыть многочисленные перспективы в энергетике. В первую очередь большой интерес к суперконденсаторам вызван возможностью замены ими батарей, а также создания гибких источников питания большой мощности.

Стратегической задачей для ученых является создание батарей высокой емкости, которые можно было бы использовать в разных областях, к примеру, для электромобилей. Это позволит обеспечить поездки на длительные дистанции и быструю зарядку батарей. Также это гарантирует более экономичную работу возобновляемых источников энергии путем аккумулирования избытков энергии: ветроэнергетические установки, солнечные батареи и так далее.

Виды

Суперконденсатор – это тот же аккумулятор, но на порядок с лучшими свойствами. В первую очередь это относится к существенно более быстрому заряду и разряду. Суперконденсатор представляет элемент с двумя электродами, между ними располагается электролит. Электроды выполнены в виде пластины из определенного материала. Для улучшения электрических параметров суперконденсатора, пластины могут дополнительно покрываться пористым материалом, к примеру, активированным углем. В качестве электролита может применяться неорганическое или органическое вещество.

В целом суперконденсатор – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора:

Главное отличие суперконденсатора от привычного конденсатора — в наличии у первого не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию (электрическая емкость) получается намного выше.
Кроме этого суперконденсатор от аккумуляторной батареи отличается скоростью накапливания, а также степенью отдачи электрического заряда. Благодаря применению двойного электрического слоя повышается площадь поверхности электродов при тех же общих габаритах. То есть в устройстве сочетаются лучшие электрические характеристики – существенная емкость аккумулятора и скорость конденсатора.

Впервые о суперконденсаторе заговорили в 1962 году. Именно тогда химик американской компании Standard Oil Company Роберт Райтмаер подал заявку на патент, где подробно расписывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, который обладал «двойным электрическим слоем». В предлагаемом варианте акцент делался на материал обкладок. У электродов должна быть различная проводимость: один электрод должен иметь электронную проводимость, а другой – ионную. В результате при заряде конденсатора происходило разделение положительных центров и электронов в электронном проводнике, а также разделение анионов и катионов в ионном проводнике.

В 1971 году лицензия досталась японской компании NEC, которая к этому времени занималась всеми направлениями электронной коммуникации. NEC удалось успешно продвинуть технологию под названием «Суперконденсатор». Затем суперконденсаторами стали заниматься и другие компании. С 2000-х годов активное развитие технологии началось во многих странах мира.

Суперконденсаторы сегодня подразделяются на:

Двойнослойные конденсаторы (ДСК).
Псевдоконденсаторы.
Гибридные конденсаторы.

Двойнослойный суперконденсатор предполагает наличие двух пористых электродов, выполненных из электропроводящих материалов, а также разделенных заполненным электролитом сепаратором. Здесь процесс запасания энергии идет за счет разделения заряда на электродах с весьма большой разностью потенциалов между ними. Электрический заряд двойнослойных конденсаторов определяется непосредственно емкостью двойного электрического слоя, то есть отдельного конденсатора на поверхности каждого электрода. Между собой они соединяются последовательно посредством электролита, который является проводником с ионной проводимостью.

Псевдоконденсаторы уже ближе к перезаряжаемым аккумуляторам. В них имеются два твердых электрода. Принцип действия сочетает два механизма сохранения энергии: фарадеевские процессы, которые схожи с процессами, происходящими в батареях и аккумуляторах, а также электростатическое взаимодействие, свойственное конденсаторам с двойным электрическим слоем. Приставка «псевдо» появилась вследствие того, что емкость ДЭС зависит не только от электростатических процессов, но и быстрых фарадеевских реакций с переносом заряда.

Гибридные конденсаторы – это переходный вариант между конденсатором и аккумулятором. Слово «гибридные» обусловлено тем, что электроды в гибридных конденсаторах производятся из различных материалов, а накопление заряда осуществляется по разным механизмам. Большинством случаев в гибридных конденсаторах катодом является материал с псевдоемкостью. В результате аккумулирование заряда на катоде осуществляется вследствие окислительно-восстановительных реакций, что увеличивает удельную емкость конденсатора, а также расширяет область рабочих напряжений.

В гибридных конденсаторах часто применяют комбинацию электродов из допированных проводящих полимеров и смешанных оксидов. Весьма перспективными могут стать композиционные материалы, которые состоят из оксидов металлов, осажденных на проводящие полимеры или углеродные носители.

Принцип действия

Суперконденсаторы, как высокоемкие конденсаторы, производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. При накоплении энергии в суперконденсаторе химические реакции не задействуются, хотя суперконденсатор является электрохимическим устройством. В силу высокой обратимости механизма накопления энергии, конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться.

Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, который имеет способность накапливать чрезвычайно большое количество энергии по отношению к его размеру, а также в сравнении с традиционным конденсатором. Данное свойство суперконденсатора особенно интересно в создании гибридных транспортных средств в автомобильной промышленности, в том числе в производстве машин на аккумуляторной электротяге, в которых суперконденсаторы применяются в виде дополнительного накопителя энергии.

В большинстве случаев, в суперконденсаторе действуют два активных электрода, которые разделены непроводящим материалом, размещенным между металлическими токовыми коллекторами. Органический или водный электролит пропитывает пористые электроды, обеспечивая появление носителей заряда в устройстве с последующим его накоплением.

Применения и особенности

Области применения суперконденсаторов могут быть поделены на следующие направления:

Накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, к примеру, топливных элементов, океанской волны, ветра и солнца.
Транспортные средства, к примеру, устройства запуска двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, автомобили на водородном топливе, локомотивы поездов.
Как накопители энергии в жилищном секторе, к примеру, в зданиях с солнечными фотоэлектрическими системами, в которых имеется необходимость в аккумуляторах с повышенными характеристиками.
Благодаря высокой плотности энергии и удельной емкости, суперконденсаторы применяются в электронных устройствах в виде источника кратковременного электропитания.
В системах бесперебойного электропитания. Достоинством является то, что они в критических областях применения обеспечивают мгновенную мощность.
Среди развивающихся областей суперконденсаторы находят применение в системах бесперебойного электропитания с топливными элементами.
В устройствах демпфирования пиковой нагрузки, а также запуска двигателя.
Электроэнергетика с критическими нагрузками, коммуникации аэропортов, вышки беспроводной связи, банковские центры, больницы.
Источник резервного питания для материнских плат, микропроцессоров и запоминающих устройств.
Мобильные телефоны.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств суперконденсаторов можно отметить:

Низкая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 фарад.
Высочайшая плотность емкости.
Высокий кпд цикла, который достигает 95% и выше.
Длительный срок службы.
Надежность устройства.
Экологическая безопасность.
Бесперебойная эксплуатация.
Весьма высокая удельная энергия и удельная мощность.
Широкий диапазон рабочих температур.
Большое количество циклов практически с неизменными параметрами.
Высокая скорость заряда и разряда.
Сниженная токсичность применяемых материалов.
Отличная обратимость механизма накопления энергии.
Допустимость разряда до нуля.
Малый вес в сравнении с электролитическими конденсаторами.

Среди недостатков суперконденсаторов можно отметить:

Относительно малая энергетическая плотность.
Не способность обеспечить достаточное накопление энергии.
Весьма низкое напряжение на одну единицу элемента.
Высокая степень саморазряда.
Недостаточное развитие технологий.

Суперконденсаторы в перспективе

В ближайшем будущем суперконденсаторы станут применять повсеместно. Многообещающими областями для суперконденсаторов могут стать медицинская и авиакосмическая промышленность, военная техника:

При разработке суперконденсаторов все больше повышается их удельная емкость. В результате во многих технических сферах произойдет полная замена аккумуляторов на конденсаторы.
Произойдет интегрирование суперконденсаторов в самые разные структуры: от электроники до всевозможных настроек. Появится умная одежда с использованием этих устройств. Конденсаторы обеспечивают экологически чистый метод экономии энергии, поэтому они имеют больше возможностей для передачи и хранения энергии в сравнении с иными энергосберегающими технологиями.
Повсеместное использование суперконденсаторов: автомобили, трамваи, автобусы, электроника, в особенности смартфоны и другая мобильная техника. Зарядка будет занимать секунды, а запасаемой энергии будет хватать надолго.

суперконденсаторов: основы и приложения | Основы для начинающих

— Реклама —

Энергетический кризис и загрязнение окружающей среды привели к разработке чистых и возобновляемых систем хранения энергии. Суперконденсаторы, также называемые ультраконденсаторами или электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC), обеспечивают очень высокую емкость в небольшом корпусе. Он хранит электрическую энергию в виде электрического поля между двумя проводящими пластинами и может совершать на сотни тысяч больше циклов заряда-разряда, чем батареи, потому что они не испытывают износа, связанного с химической реакцией. По этой причине, а также его более широкое использование в электроприводах, ИБП, активных фильтрах, тяговых и автомобильных приводах привлекло внимание к его особенностям.

Структура суперконденсатора

Прежде чем мы перейдем к работе суперконденсаторов, давайте сначала разберемся со структурой суперконденсатора.

— Реклама —

Рис. 1. Поперечное сечение суперконденсатора

Он не состоит из диэлектрического материала, как керамические конденсаторы или электролитические конденсаторы. Как показано на рисунке 1, суперконденсаторы состоят из двух пористых электродов, электролита, сепаратора и токосъемников. Давайте посмотрим на каждый из них.

Токосъемники:

Токосъемники изготавливаются из металлической фольги, как правило, из алюминия, поскольку он дешевле титана, платины и т. д. Они покрыты электродным материалом.

Электроды:

Значение емкости пропорционально площади поверхности электрода. Как правило, в качестве электродного материала используют высокопористый активированный углеродный материал с порошковым покрытием или углеродные нанотрубки. Пористая природа материала позволяет хранить гораздо больше носителей заряда (ионов или радикалов из электролита) в заданном объеме. Это увеличивает значение емкости суперконденсаторов. Электроды нанесены на токосъемник и погружены в электролит.

Электролит:

Электролит является ключевым фактором при определении внутреннего сопротивления (ESR). Раствор электролита должен быть водным или неводным. Наиболее предпочтительны неводные электролиты, поскольку они обеспечивают высокое напряжение на клеммах V. Неводный раствор состоит из проводящих солей, растворенных в растворителях. В качестве растворителей наиболее предпочтительны ацетонитрил или пропиленкарбонат. В качестве растворенных веществ можно использовать ионы тетраалкиламмония или лития.

Разделитель:

Сепаратор находится между электродами и состоит из материала, прозрачного для ионов, но являющегося изолятором для прямого контакта между пористыми электродами во избежание короткого замыкания.

Структура суперконденсатора уникальна и, следовательно, отличается от обычных аккумуляторов и конденсаторов. Использование активированного угля увеличивает площадь поверхности и, следовательно, увеличивает значение емкости. Электролит с низким внутренним сопротивлением увеличивает удельную мощность. Вместе они обеспечивают способность суперконденсаторов быстро накапливать и высвобождать энергию. Мощность [Вт] суперконденсатора определяется выражением,

P= V ² /4R
где V [В] — рабочее напряжение, а R [Ом] — внутреннее сопротивление.

Хранение энергии в суперконденсаторах

При подаче напряжения начинается зарядка, т.е. начинает развиваться электрическое поле. Давайте разберемся с процессом зарядки, обратившись к рисункам 2 и 3.

Процесс зарядки выглядит следующим образом:

При подаче напряжения каждый коллектор притягивает ионы противоположного заряда.
Ионы из электролита собираются на поверхности двух токосъемников.
На каждом токосъемнике создается заряд.
Как мы видим на рисунке 3, были сформированы два отдельных слоя заряда, поэтому суперконденсатор также называют конденсатором с двойным электрическим слоем (EDLC).

Теперь мы можем понять процесс разрядки, снова взяв за основу рисунок 3 и рисунок 4.

Процесс разряда выглядит следующим образом:

Ионы больше не сильно притягиваются к токосъемникам.
Ионы распределяются по электролиту.
Заряд на обоих токосъемниках уменьшается.

Преимущества суперконденсаторов

Использование активированного угля увеличивает значение емкости, поэтому суперконденсаторы имеют большую емкость накопления энергии по сравнению с электролитическими конденсаторами и батареями.
Длительный срок хранения по сравнению с батареями. В батареях энергия накапливается и высвобождается в результате химической реакции внутри материала электрода, что вызывает его деградацию.
могут перезаряжаться за короткое время и обеспечивать высокие и частые пиковые нагрузки.
имеют высокую удельную мощность и могут обеспечивать большой всплеск мощности в течение короткого времени.

Применение суперконденсаторов

Благодаря уникальной емкости суперконденсаторов они широко используются в различных приложениях, таких как электроприводы, ИБП, тяга, электромобили, твердотельные накопители, светодиодные фонари и т. д. Давайте обсудим некоторые из них.

Гибридные автобусы

Транспорт является крупнейшим рынком сбыта суперконденсаторов. В Индии в конце октября 2017 года компания BEST (Brihan Electric Supply and Transport) представила экологически чистые электрические автобусы. Ранее в этом документе мы обсуждали, что суперконденсаторы быстро заряжаются. Аккумуляторам нужно время, чтобы зарядиться. Во время торможения двигатели создают противо-ЭДС. Эта противо-ЭДС в качестве регенеративной энергии используется для зарядки суперконденсаторов. Суперконденсаторы как комбинированное решение с аккумулятором увеличивают срок службы аккумулятора, уменьшают размер аккумулятора. 9Рис. 5. Гибридный автобус в Мумбаи, Индия при торможении). Китай продемонстрировал миру, что эту технологию можно внедрить в больших масштабах. Однако технология, использующая суперконденсатор плюс аккумулятор, более выгодна с точки зрения общих ходовых качеств автобусов.

Автомобильная промышленность

При торможении противо-ЭДС, создаваемая двигателями, используется для зарядки суперконденсатора в электромобиле. Суперконденсаторы могут заряжаться всего за несколько секунд. Эта накопленная энергия используется для запуска двигателя, для питания электрической системы автомобиля, а также для зарядки аккумуляторной батареи, используемой в транспортных средствах. В Индии Tata Motors недавно выпустила первую партию электромобилей Tigor, произведенных для государственной компании EESL (Energy Efficiency Services).

Рис. 6. Электромобили с суперконденсаторами

Тяга

Тяговое транспортное средство должно пройти три различных этапа: этап ускорения, этап крейсерского движения (движение с нормальной скоростью) и этап торможения. Во время этих фаз сила может быть как очень отрицательной, так и положительной. Это изменение мощности создает серьезные проблемы, такие как колебания напряжения питания, потери в основном источнике питания и т. д.

Решение вышеуказанной проблемы заключается в интеграции суперконденсаторов в качестве устройства кратковременного хранения с интерфейсным преобразователем постоянного тока.

Электроника и устройства с низким энергопотреблением

Суперконденсаторы используются в устройствах памяти в ноутбуках, мобильных телефонах, радиотюнерах и т. д.
Они используются там, где требуется мгновенный всплеск мощности, например светодиодные вспышки.

Возобновляемая энергия

В настоящее время используются усовершенствованные турбины с регулируемой скоростью с тремя лопастями. Угол наклона лопастей является гибким и может регулироваться в зависимости от рабочей точки турбины и скорости ветра. В случае отказа турбины или силового преобразователя лопасти должны быть выдвинуты на 90° быстро, чтобы предотвратить механическое повреждение лопастей. Суперконденсаторы используются в ветроэнергетике для обеспечения мощности для управления шагом лопастей.

Ссылки

Петар Дж. Грбович, «Ультраконденсаторы в системах преобразования энергии: приложения, анализ и проектирование от теории к практике», 1-е издание, Wiley IEEE Press, 2014.
Р. К. Амбаре, Раджарам С. Мане, Б. Дж. Локханде, «Обзор электрохимических суперконденсаторов наноструктур композит-оксид металла», Международные журналы перспективных исследований, ISSN: 2320-5407, 2016.
Р. П. Дешпанде, «Нанонаука в энергетическом секторе», Международный исследовательский журнал YMCAUST, ISSN: 2319-9377, 2013.
Петар Дж. Грбович, Филипп Деларю и Филипп Ле Муань, «Преобразователи интерфейсов для применения ультраконденсаторов в системах преобразования энергии», 15-я Международная конференция по силовой электронике и управлению движением, EPE-PEMC 2012 ECCE Europe, Нови-Сад, Сербия.
Петар Дж. Грбович, Филипп Деларю и Филипп Ле Муань, «Моделирование и управление системой хранения и преобразования энергии на основе ультраконденсаторов», IEEE Trans Industrial electronics, 2014.
Нирадж Махулкар, профессор, доктор П. Б. Карандикар, «Сравнение различных типов углеродных материалов в качестве электродов суперконденсаторов», Международный журнал инновационных исследований в области науки, техники и технологий, том 3, выпуск 6, ISSN: 2319-8753, 2014.
М. Джаялакшми, К. Баласубрамания, «От простых конденсаторов до суперконденсаторов — обзор», Международный журнал электрохимических наук, ISSN: 1196–1217, 2008.
Максвелл, «5 ведущих рынков для технологии ультраконденсаторов», 2015 г.
Мурата, «Основы суперконденсаторов (часть 1): что такое суперконденсаторы?», 2015 г.
Мурата, «Основы суперконденсаторов (часть 2): использование и эффекты», 2015 г.

СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

Почти десятилетие суперконденсаторы (СК) считались многообещающими источниками высокой мощности, поскольку они могут преодолеть разрыв между конденсаторами и батареями. Было обнаружено, что SC потенциально привлекательны для нескольких приложений космической энергетики. ЕКА провело несколько мероприятий по разработке суперконденсаторов для космических приложений. В этом документе будет представлен обзор определенных космических приложений для SC, а также будут представлены выводы о последних разработках, финансируемых и возглавляемых ЕКА. Наконец, будут перечислены проблемы, связанные с обеспечением высоконадежного космического решения.

Документ был представлен Хоакином Хосе Хименесом Каррейрой, HE Space Operations BV для ESA/ESTEC, Нордвейк, Нидерланды, на конференции 3 ^rd PCNS 7-10 ^th, сентябрь 2021 г., Милан, Италия, в качестве документа № 2.4.

ВВЕДЕНИЕ

Батареи и суперконденсаторы

Технологические достижения в области энергетики и накопления энергии дают значительные преимущества космическим кораблям, ракетам-носителям, посадочным модулям, вездеходам, скафандрам, инструментам, средам обитания, сетям связи и всему, что требует власть и энергия используют эти технологии. Такие достижения могут даже сделать возможными космические полеты, которые ранее считались технически недостижимыми.

Что касается аккумулирования энергии, основная цель любой технологии аккумулирования энергии состоит в том, чтобы обеспечить мощность с максимально возможной удельной энергией с достаточной долговечностью в условиях миссии и, в случае перезаряжаемых технологий, с достаточным жизненным циклом. Аккумуляторные системы основаны на электрохимических реакциях накопления (окислительно-восстановительные реакции и реакции интеркаляции) и используются во всех космических миссиях для обеспечения питания множества систем. Современные первичные и вторичные батареи тяжелые и громоздкие из-за того, что собственные энергетические и энергетические возможности аккумуляторной технологии нелегко приспособить к потребностям источника питания. Действительно, для приложений высокой мощности батареи обычно имеют избыточную энергию. Точно так же для приложений с высокой энергией батареи обычно имеют избыточную мощность. Кроме того, аккумуляторные системы сталкиваются с различными проблемами безопасности из-за реактивности материалов электродов и взаимодействия между материалами электродов и электролитом, особенно для литий-ионных аккумуляторных элементов [1].

Конденсаторы — еще один класс накопителей энергии. Конденсаторы представляют собой пассивные двухполюсные электрические компоненты, используемые для электростатического накопления энергии в электрическом поле. В отличие от батарей, конденсаторы не рассеивают энергию и используют нефарадеевские процессы для накопления заряда. Поэтому они обеспечивают гораздо более длительный срок службы и выдающуюся удельную мощность. Однако их удельная энергия очень мала по сравнению с батареями. Этот факт, среди прочего, помог развитию суперконденсаторов. Суперконденсаторы представляют собой электрохимические накопители, которые могут накапливать электрическую энергию в двойном электрохимическом слое между электродами с большой площадью поверхности и электролитом. Суперконденсаторы хранят от 10 до 100 раз больше энергии на единицу массы или объема, чем обычные конденсаторы. Достоинствами суперконденсаторов являются их высокая удельная мощность (несколько десятков кВт/кг), возможность работы при низких температурах (до -40°С), большая мгновенная разрядная способность, большой срок службы и возможность быстрой перезарядки.

В последнее время суперконденсаторы привлекли внимание к энергетическим приложениям в космической среде. Они могут поддерживать импульсы повышенной мощности при допустимом повышении температуры ячейки, имеют широкий диапазон рабочих температур (обычно от – 40 °С до 65 °С) и длительный срок службы (>1 × 106) [2]. Нерешенной проблемой для более широкого внедрения суперконденсаторов остается их все еще довольно низкая удельная энергия (примерно в 15-30 раз меньше, чем у литий-ионных аккумуляторов эквивалентных размеров). Благодаря своим выдающимся характеристикам эти устройства оказались в авангарде научных исследований, в которых предпринимались активные усилия по дальнейшему совершенствованию их возможностей накопления энергии.

Преодолевая разрыв между батареями и конденсаторами, суперконденсаторы обеспечивают значительно более длительный жизненный цикл и высокую мощность как в процессах заряда, так и в процессах разряда. Научные усилия по улучшению низкой удельной энергии направлены на разработку гибридных суперконденсаторов с использованием материалов на уровне электродов, которые одновременно сочетают в себе два вида накопления энергии, то есть нефарадеевский заряд, как классические конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLC), и фарадеевские конденсаторы, более похожие на батареи. процессы. То есть гибридизация батарей суперконденсаторов с литий-ионными батареями [3], которая используется в
, чтобы оптимизировать возможности накопления энергии.

ОБЗОР СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

Суперконденсаторы обладают явными преимуществами по сравнению с батареями в приложениях, где повышенная плотность мощности предпочтительнее высокой плотности энергии. Это относится к транспортной отрасли (электровелосипеды, гибридные электромобили, гибридные грузовики [12]), электростанциям (управление шагом ветряных мельниц, позиционирование солнечных батарей [4]) или медицинским приложениям (кардиостимулятор [11]), но также космических полетов. Несколько потенциальных примеров применения для телекоммуникаций, спутников, управления полетом и электрических двигателей, среди прочего, перечислены ниже:

Подсистемы геостационарной околоземной орбиты: суперконденсаторы могут удерживать питание спутника от колебаний при изменении нагрузки спутника (запуск электрических двигателей, переходы во время затмения и т. д.) [1].
Полезная нагрузка радара с синтезированной апертурой (SAR): устройства формирования изображения характеризуются излучением узкой последовательности импульсов высокой мощности. Суперконденсаторы могут обеспечить необходимую энергию для движения поезда[10].
Высокомощный радар для миссий по наблюдению за Землей с помощью малых спутников ([1],[5]): суперконденсаторы могут обеспечить необходимую мощность и выполнить требования к малой массе[7].
Регулировка напряжения шины питания: суперконденсаторы могут поглощать импульсные нагрузки шины [1].
Поверхность управления полетом, включая системы управления ракетой-носителем [5]: суперконденсаторы могут обеспечить высокую плотность мощности и накопление энергии, необходимые для этих систем.
Гибридизация батарей суперконденсаторов с литий-ионными батареями [3]: это позволяет уменьшить количество и продолжительность силовых нагрузок на батареи и, следовательно, увеличить срок службы всей системы накопления энергии [12].
Конкретным примером этой гибридизации являются системы управления полетом (FCAS): эти системы требуют маневров большой мощности при сохранении адекватной плотности энергии миссии. Запатентованная в США Modular Electric Power Systems (MEPSTM), состоящая из параллельных цепочек батарей, дополненных суперконденсаторами,
, соответствует этому требованию, одновременно снижая вес и увеличивая срок службы батарей [5].
Электрическое управление вектором тяги ([1], [3]) для пусковых установок [12]: суперконденсаторы могут обеспечить необходимую удельную мощность, необходимую для этого использования.
Электрический двигатель: резисто-реактивный двигатель, заменяющий систему холодного газа (Xe и Kr) суперконденсаторами, позволил улучшить удельный импульс до 28% [6].
Предотвращение столкновений: в кадре группового полета необходимо аварийное предотвращение столкновений в течение одного часа. Двигатели нуждаются в длительной фазе предварительного прогрева, прежде чем можно будет совершить какой-либо маневр. Эту возможность могут обеспечить суперконденсаторы [1].
Оптимизация механизмов пиротехнического разделения на этапе запуска ([3],[5],[6]): суперконденсаторы удовлетворяют требованиям по пиковой мощности.
Механизмы разблокировки: используются для развертывания оборудования, такого как солнечные батареи, они срабатывают после получения одиночного импульсного сигнала [1]. Для этого могут применяться суперконденсаторы.
Миссии по исследованию Марса: сверхнизкотемпературные суперконденсаторы с пористым углеродным аэрогелем и передовой технологией производства [8] в настоящее время находятся в стадии разработки, но показывают многообещающие результаты при температуре -70ºC.