Мощные конденсаторы: Компактные силовые конденсаторы для мощных преобразователей напряжения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Компактные силовые конденсаторы для мощных преобразователей напряжения

Силовые конденсаторы цепи постоянного тока являются ключевыми компонентами при разработке мощных преобразователей напряжения. Новое поколение полупроводниковых приборов IGBT устанавливает более высокие стандарты электрических свойств силовых конденсаторов. Замена GTO ключей на полупроводниковые приборы современных технологий также ставит новые высокие требования к качеству силовых конденсаторов. Например, собственная индуктивность конденсаторов должна быть снижена в десять раз по сравнению с силовыми конденсаторами, применявшимися в прошлом поколении преобразователей напряжения, чтобы снизить уровень коммутационных перенапряжений при возросшей скорости переключений. Допустимые для конденсаторов уровни температурных и токовых пиков также должны быть увеличены вдвое по сравнению с силовыми конденсаторами, применявшимися в тиристорных преобразователях напряжения.

Для обеспечения соответствия этим требованиям компания Epcos разработала силовые конденсаторы серии PCC-HP (Power Chip Capacitor High Power) — новое поколение силовых конденсаторов, основанных на технологии MKK (металлизированная пленка, компактный, легкий, сухой дизайн), уже успешно работающих в многочисленных транспортных системах [1].

Требуемая нагрузочная способность по току и индуктивность цепи обеспечиваются размещением модуля силового конденсатора PCC-HP непосредственно на шины преобразователя напряжения. Эти новые возможности конденсаторов PCC-HP позволяют применять их в широком диапазоне мощных преобразователей.

Новая концепция управления позволяет снизить необходимый уровень емкости силовых конденсаторов звена постоянного тока при одновременном увеличении токовой нагрузки. Эта тенденция приводит к использованию пленочных конденсаторов, таких как PCC-HP, в применениях, где до сих пор традиционно использовались электролитические силовые конденсаторы [2].

Рис. 1. Эволюция снижения ESL: а) 1992: MKK-DC →ESL ≈ 400 нГн;
б)1995: MKK-DC →ESL ≈ 80 нГн; в) 2000: PCC-HP →ESL ≈ 30 нГн

Требования, предъявляемые силовыми транзисторами IGBT

При разработке преобразователя напряжения на силовых транзисторах IGBT особое внимание должно быть направлено на обеспечение низкого уровня индуктивности контура (L_σ < 100 нГн) для минимизации коммутационных перенапряжений ui , которые могут превысить допустимые уровни реверсивного напряжения IGBT приборов и привести к выводу из строя полупроводниковых ключей. Таким образом, многослойное расположение шин становится оптимальным решением для соединения IGBT модуля и силового конденсатора звена постоянного тока [3, 4]. Силовые модули IGBT также определяют геометрические размеры LxWxH, емкость CR и собственную индуктивность Lσ конденсатора. Типичные требования для РСС-HP обобщены в таблице 1.

Таблица 1

Концепция PCC

Для современных мощных преобразователей напряжения компания Epcos разработала семейство силовых конденсаторов PCC-HP — новое поколение низкоиндуктивных, компактных, легких конденсаторов, производимых по технологии MKK. Для снижения индуктивности были сделаны значительные конструктивные усовершенствования (рис. 1). Необходимые нагрузочная способность и индуктивность контура были достигнуты путем модульного монтажа силового конденсатора PCC-HP непосредственно на шину (благодаря этому отпала необходимость в снабберных конденсаторах, подключаемых параллельно батарее). Это новшество применимо для широкого диапазона преобразователей напряжения и обеспечивает оптимальную техническую и экономичную конструкцию преобразователя, отвечающую требованиям миниатюризации, стандартизации и модульности.

Рис. 2. Выводы силового конденсатора слева направо: стандартные плоские выводы и специальные ножевые контакты [5, 6].

Рис. 3. Два силовых конденсатора PCC-HP радиального исполнения с плоскими выводами и один стандартный, перевернутый выводами вверх конденсатор PCC-HP

Рис. 4. Стандартный PCC-HP и оптимизированный для конкретного применения с 6 винтовыми терминалами

Технология изготовления силовых конденсаторов MKK предполагает использование самовосстанавливающейся PP[PHD] пленки с напыленным структурированным металлизированным слоем алюминия или сплава Zn/Al. Металлизация выполнена неоднородно, она имеет утолщенную кромку. Волнообразная обрезка пленки по краю позволяет максимально увеличить площадь контакта при плоской намотке. Результатом применения такой технологии стала исключительная способность силовых конденсаторов выдерживать мощные импульсы тока без проявления краевого эффекта (хорошо известный и опасный эффект, возникающий в месте соединения выводов и края обкладки конденсатора).

Рис. 5. Многоуровневый привод ALSTOM Symphony: низкоиндуктивное исполнение внутри ячейки. Аксиальные конденсаторы звена постоянного тока [7]

Рис. 6. Круглая, плоская и стэкнамотка для силовых конденсаторов

Таблица 2. Технические характеристики

Если дизайн силовых конденсатора принят к рассмотрению на ранней стадии разработки преобразователя напряжения, то конденсатор, изготовленный с учетом особенностей конструкции изделия, может иметь, например, специальный дизайн выводов (табл. 3; рис. 2, 3–5).

Таблица 3

В стандартном силовом конденсаторе PCC-HP используется компактная плоская намотка MKK-DC. Epcos обладает всеми наиболее важными и передовыми технологиями намотки: круглая, плоская и так называемая стэк-намотка для производства силовых конденсаторов. Благодаря этому оптимальная система может быть заложена с самого начала разработки (рис. 6). Стэк-намотка фиксируется на платформе, усиленной стекловолокном для обеспечения высокой вибростойкости. Корпус из нержавеющей стали дополнительно упрочняет конструкцию.

Платформа допускает радиальный и аксиальный дизайн и может быть снабжена различными типами выводов. Корпус силового конденсатора снабжен винтовыми фиксирующими гнездами M6 и может быть дополнен различными скобами для механического крепления. Такой дизайн отвечает требованиям стандарта IEC1071/68.

Рис. 7. Обзор размеров стандартных платформ (L×W= L×195 мм) слева направо: а) L = 237 мм; б) L = 367 мм; в) L = 497 мм

Рис. 8. Установка силового конденсатора PCC-HP с длиной платформы L = 497 мм с помощью фиксирующих скоб по сторонам его корпуса на радиатор

Рис. 9. Конструкция преобразователя напряжения с креплением шин к модулям IGBT. На рисунке видна короткая сторона силового конденсатора PCC-HP, слева конденсатор имеет ножевой контакт, а справа — плоский медный вывод

При изготовлении оборудования требования «Стандартов пожаробезопасности для компонентов, используемых на транспорте» (Fire Standards for Public Transportation Parts) играют все большую роль, особенно после нескольких аварий, произошедших у конечных пользователей при эксплуатации данного оборудования.

При выборе компонентов повышенное внимание должно быть уделено соблюдению этих стандартов, особенно NFF-16-101/102. Силовые конденсаторы, производимые компанией Epcos по вышеперечисленным технологиям, отвечают требованиям международных стандартов (табл. 4).

Таблица 4

Аспекты современного дизайна силовых конденсаторов

Следующий пример показывает возможные варианты изготовления. В настоящий момент изготовление стандартного силового конденсатора PCC-HP доступно на трех различных платформах (посадочные места) (рис. 7).

Таблица 5

Силовые конденсаторы PCC-HP ранжированы по напряжению VR. Основные технические данные конденсаторов приведены в таблице 5 (для конденсатора PCC-HP стандартного размера — LxWxH = 367x195xH мм).

Номинальная емкость CR в таблице 5 показывает возможную емкость в зависимости от длины применяемой платформы и выражается следующими формулами:

Монтаж силовых конденсаторов PCC непосредственно на шины обеспечивает исключительно низкую индуктивность (рис. 8, 9, 10).

Преимущества новых силовых конденсаторов

Силовые конденсаторы PCC-HP оптимизированы для использования в преобразователях напряжения для тяжелых условий транспортного и промышленного применения. Наиболее важные преимущества PCC-HP перед стандартными силовыми конденсаторами приведены ниже:

Низкая собственная индуктивность силового конденсатора позволяет снизить индуктивность контура в целом.
Непосредственный монтаж на шины и адаптация к IGBT.
В ряде случаев позволяет отказаться от снабберных конденсаторов.

Упрощение и снижение стоимости конечного устройства.
Произвольное положение монтажа.
Уменьшение объема установки в целом.
Снижение веса установки.
Пожаробезопасность (благодаря сухой технологии изготовления силовых конденсаторов MKK).
Высокая токовая нагрузка.
Исключительная способность выдерживать мощные импульсы тока.
Длительный срок службы.

Рис. 10. Слева на рисунке показаны подробности монтажа и ножевой контакт, механически закрепленный на шине болтом, подпружиненная контактная площадка в корпусе, платформа и корпус конденсаторав разрезе. Справа на фотографии показаны детали контакта: ножевой контакт, пружинная контактная площадка в корпусе с плоским соединителем зоны контакта и обкладок силового конденсатора

Тенденции

Развитие силовой электроники идет по пути увеличения мощности, компактности и степени интеграции систем. Новые силовые чип-конденсаторы, разработанные компанией Epcos для особо мощных преобразователей IGBT, удовлетворяют всем этим требованиям. Продолжающееся развитие силовых чип-конденсаторов откроет новые области их применения. Развитие силовых конденсаторов будет идти по пути совершенствования процесса металлизации для производства высококачественной самовосстанавливающейся полимерной пленки. Компания Epcos работает над увеличением токовой нагрузки и диэлектрической прочности металлизированной пленки в типичных условиях эксплуатации.

Стандартные металлопленочные конденсаторы будут заменяться другими, оптимизированными под специальные применения при сохранении стоимости. Прогресс в дизайне и производстве, направленный на улучшение качества изготовления MKK силовых конденсаторов, позволит отказаться от конденсаторов, выполненных по старым технологиям.

В силовых приложениях свойства алюминиевых электролитических конденсаторов значительно отличаются от свойств самовосстанавливающихся пленочных конденсаторов. В настоящее время видна тенденция к переходу на PCC силовые конденсаторы, особенно в тех применениях, где необходимы свойство самовосстановления при воздействии высоковольтных импульсов и стабильная емкость на протяжении всего срока службы оборудования. Силовые конденсаторы PCC-HP не содержат масло и могут быть легко переработаны по окончании срока службы, так как состоят из легко разделяемых материалов: полиэстер или полипропилен, медь, полиэстер, усиленный стекловолокном, и инертный газ.

Литература

Vetter H. Dry MKK-Capacitors for modern rail traction. SIEMENS Components 02/96, 3/97.
Bramoulie, M.: Electrolytic or film capacitor. IEEE 10/98.
Vetter H. High power capacitors for low inductance circuits. SIEMENS Components 28/90.
Schütze T. Design aspects for inverters with IGBT high-power modules. Proc. PCIM Hong Kong 10/97.
Vetter H. Patent file US 6,409,545 B1 Jun. 25, 2002.
Zorzynski, D. et. al. High voltage IGBT modules in the design of a 3 kV Chopper. Proc. M.E.T. Gdansk, Poland 05/01.
Beinhold G., Jakob R., Nahrstead M. A new range of medium voltage multilevel inverter drives with floating capacitor technology. EPE 2001 Graz.

Обзор элементной базы TDK-EPCOS для применения в устройствах силовой электроники

Компания TDK-EPCOS производит широкую номенклатуру электронных компонентов для различных областей электроники. Одним из самых сильных направлений, которые развивает компания TDK-EPCOS в настоящее время, является силовая электроника. В данном обзоре рассмотрено применение элементной базы от TDK-EPCOS в различных узлах преобразователей частоты и источников питания.

Структурная схема преобразователя частоты

Структурная схема источника питания

A: Входной ЭМС-фильтр
B: Дроссели подавления ЭМП
С: Варисторы
D: X,Y — Конденсаторы
E: PTC или NTC термисторы для ограничения тока
F: Пленочные конденсаторы средней мощности для звена ПТ
G: Электролитические конденсаторы для звена ПТ
H: Мощные пленочные конденсаторы для звена ПТ
I: Температурные сенсоры (NTC или PTC термисторы)
J: Снабберные или коммутирующие конденсаторы
K: Ферритовые сердечники (кольцевые, E, U, Iи другие)
L: Выходные фильтрующие конденсаторы
M: Выходные фильтрующие катушки дроссели
N: Силовые трансформаторы
O: Дополнительные трансформаторы
P: Многослойные керамические конденсаторы и Ceralink

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ДЛЯ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Электронные компоненты для силовой электроники

Серия

Вид

Технические параметры

Особенности

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Выводы под винт

V: 16 … 600 В DC

C: 560 … 680 000 мкФ

Срок службы более:

10 000 ч, при +105°C

15 000 ч, при +85°C

-Высокий максимально допустимый пульсирующий ток.

-Компактный корпус

-Специальная конструкция для охлаждение через основание

-Самогасящийся электролит под заказ

-Увеличенный срок службы (более 20 лет)

4-/5- выводные

(защелкивающиеся и под пайку)

V: 350 … 500 В DC

C: 220 … 3300 мкФ

3000 ч, при +105°C

10 000 ч, при +85°C

-Высокий максимально допустимый пульсирующий ток.

-Компактный корпус

-Увеличенный срок службы (более 20 лет)

Защелкивающиеся выводы

V: 200 … 600 В DC

C: 39 … 3300 мкФ

8000 ч, при +105°C

8000 ч, при +85°C

Пленочные конденсаторы для цепей постоянного тока

MKP DC Link

V: 300 … 1300 В DC

C: 0. 47 … 480 мкФ

T: -40 … + 105°C

-Высокая удельная емкость

-Малые потери и высокая нагрузочная способность по току

-Пластмассовый корпус и заливаемый компаунд из негорючих материалов (UL94V)

MKP Снабберные

V: 850 … 2000 В DC

C: 68 нФ … 5.6 мкФ

-Рабочая температура до +110°C

-Очень низкие значения ESLи ESR

-Большое количество конфигураций выводов

-Высокая устойчивость к импульсным перенапряжениям

MFP Снабберные

V: 1000 … 2000 В DC

C: 22 нФ … 0.68 мкФ

MKPDC

V: 700 … 1980 В DC

C: 40 … 1500 мкФ

T: -55 … + 75°C

-Высокая нагрузочная способность по току

-Алюминиевый цилиндрический корпус

MKPDCLSI

V: 500 … 1200 В DC

C: 50 … 400 мкФ

T: -55 … + 70°C

-Высокая нагрузочная способность по току

-Очень низкая ESL

-Пластмассовый цилиндрический корпус

PCCLP

V: 450 … 900 В DC

C: 300 … 3000 мкФ

T: -25 … + 105°C

-Высокая удельная емкость

-Очень хорошая способность к самовосстановлению

-Изменение конструкции по желанию заказчика

MKKDC

MKKDCI

PCCHP

V: 700 … 6000 В DC

C: 100 … 30 000 мкФ

-Высокая нагрузочная способность по току

-Длительный срок службы

-Наполнитель: масло или газ

MKK DCR

V: 800 … 1500 В DC

C: до 12 500 мкФ

T: -25 … + 80°C

-Высокая нагрузочная способность по току

-Низкое значение ESL

-Заполнение из полимера

Пленочные конденсаторы для цепей переменного тока

Для подавления ЭМП

V: 330, 530 В AC

C: 1нФ … 6. 8мкФ

X1 MKP

V: 305, 350 В AC

C: 10нФ … 30мкФ

X2 MKP,

X2MKT (для тяжелых условий эксплуатации)

V: 500 В AC

C: 1нФ … 10нФ

Y1 MKP

V: 300 В AC

C: 1нФ … 1мкФ

Y2 MKP

MKP AC

V: 250 … 1000 В AC

C: 10 … 600мкФ

3×25 … 3×400мкФ

-Высокая нагрузочная способность по току

-Защита от избыточного давления

-Алюминиевый корпус

MKD AC

MKK

Керамические конденсаторы

Дисковые с радиальными выводами (высоковольтные)

V: 1 … 6кВ

C: 10пФ … 10нФ

-Защита для снабберных цепей

C: 10пФ … 10нФ

X1/440V, Y2/300V, Y1/400V

CeraLink

V: 500, 700, 900 В DC

С: 0. 25 … 20 мкФ

T: -40 … + 150°C

-Низкие значения ESR и ESL

-Высокая удельная емкость и малые размеры

-Надежное функционирование с полупроводниковыми ключами и в системах с высокими частотами переключения

Индуктивные компоненты

Мощные катушки индуктивности

L: 0.3 … 35 мкГ

I: 9.3 … 71 А

-Дроссели SMDсо спиральной намоткой из плоского провода

-Чрезвычайно высокая допустимая нагрузка по току

L: 0.82 … 1000 мкГ

I: 0.11 … 11 А

-Высокие значения номинального тока

-Экранированные и неэкранированные варианты

Трансформаторы

V_in: 36 … 60 В DC

V_in: 80 … 265 В DC

-SMDобратноходовые трансформаторы

-Трансформаторы для импульсных источников питания

V_in: 3. 3, 5, 12 В DC

V_out: 3.3, 5, 12 В DC

-Трансформаторы для DC/DCпреобразователей

-Типичная частота переключений 250кГц

V_isolation: 1500 В DC

H: 5.4 мм

L x W : 8.1 x 6.7 мм

-Импульсные SMDтрансформаторы для управления затвором и для гальванической развязки

-Малая индуктивность рассеяния

-Малые паразитные емкости

I_sense: 7 … 40 А

К_tr: 1:20 … 1:200

-Токоизмерительные SMDтрансформаторы

-Напряжение изоляции до 2400 В AC

Дроссели

подавления ЭМП

L: 0.19 … 100 мГн

I: 0.25 … 56 А

V: 250 … 600 В AC

-Дроссели с кольцевым сердечником

-Высокая собственная частота за счет особой технологии намотки

L: 0. 33 … 100 мГн

I: 0.35 … 4.6 А

V: 250 … 300 В AC

-Дроссели с U, D, E-образными и рамочными сердечниками

-Повышенная индуктивность рассеяния для дросселей с рамочными сердечниками

ЭМС-фильтры

2-канальные фильтры

(для однофазных цепей и цепей постоянного тока)

V: 250 … 520 В AC

V: 250 … 1500 В DC

I: 0.5 … 1600 А

-Подавление синфазных и дифференциальных помех

-Одиночный или многокаскадный фильтр

3,4-канальные фильтры

(для трёхфазных цепей)

V: 440 … 760В AC

I: 6 … 2500 А

-Подавление синфазных и дифференциальных помех

-Одиночный или многокаскадный фильтр

-Исполнение с и без нейтральной линией

Элементная база для цепей защиты

Варисторы

I_max: 25 … 100 кА (8/20)

V_RMS: 75 … 1100 В

-Варисторы блочного типа в герметичном пластиковом корпусе

-Диаметр: 32 … 80 мм

I_max: 40 … 75 кА (8/20)

V_RMS: 130 … 750В

-Варисторы с плоскими выводами

-Диаметр: 40 … 50 мм

I_max: 0. 8 … 20кА(8/20)

V_RMS: 11 … 1000 В

-Выводные дисковые варисторы

-Диаметр: 5 … 25 мм

I_max: 0.4 … 1.2 кА(8/20)

V_RMS: 11 … 480В

-SMD варисторы

Разрядники

V: 75 … 7500 В DC

I_max: 0.5 … 100 кА

-2 и 3-ех электродные разрядники

-SMDи выводные

Термисторы

V: 12 … 1000 В DC

R: 0.3 Ом … 10 кОм

-PTCтермисторы для ограничения тока при КЗ и перегрузках

I_max: 1.3 … 24 А

R: 0.5 Ом … 120 Ом

-NTCтермисторы для ограничения пускового тока

Измерительные элементы

NTCТермисторы для измерения температуры

T:-55 … +300°C

R₂₅_°C: 15 Ом …430кОм

-Высокая точность измерений

-Большое количество различных вариантов исполнений

PTCТермисторы для измерения предельной температуры

T: +60 … +160

R: 110 Ом … 10 кОм

-Быстрая и надежная реакция

-Большое количество различных вариантов исполнений

Как работают суперконденсаторы? — Объясните это.

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 4 апреля 2022 г.

Если вы думаете, что электричество сегодня играет большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление домов должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофические климатические изменять. Электричество — чрезвычайно универсальная форма энергии, но имеет один большой недостаток: его относительно трудно хранить в спешке. Аккумуляторы могут хранить большое количество энергии, но на это уходят часы. заряжать. Конденсаторы, напротив, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь незначительное количество энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и высвобождать большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Что они собой представляют и как они работают? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для накопления энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии), NREL image id#46619.

Содержимое

Как сохранить электрический заряд?
Что такое суперконденсатор?
Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?
Для чего используются суперконденсаторы?
Узнать больше

Как сохранить электрический заряд?

Батареи и конденсаторы выполняют одинаковую работу — накапливают электричество, — но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электрода), разделенные химическим вещество, называемое электролитом. Когда вы включаете питание, происходят химические реакции с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции превращают химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только все химические вещества будут израсходованы, реакции остановятся и батарея разряжена. В перезаряжаемой батарее, такой как литий-ионный блок питания, используемый в портативном компьютере или MP3-плеере реакции могут с удовольствием бегают в любом направлении, так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз, прежде чем батарея потребует замены.

Фото: Типичная угольно-цинковая батарея имеет накопленное на заводе электричество и может быть разряжена только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — каждый год во всем мире выбрасываются миллиарды таких батарей.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного напоминает трение воздушного шара о свитер. чтобы он прилип. Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, а расстояние между ними, препятствующее их соприкосновению, накапливает энергию. Хороший диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, чем конденсатор с худшим диаметром, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства накопления заряда.

Фото: Типичные электролитические конденсаторы в электронной схеме. Каждая из них хранит в несколько раз меньше энергии, чем батарея, но может мгновенно заряжаться и разряжаться почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался миллионы раз, не изнашиваясь. Но они имеют и большой недостаток: килограмм за килограммом, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде аккумуляторов.

Можем ли мы что-нибудь с этим сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо с использованием лучшего материала для диэлектрика или с использованием больших металлических пластин. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно огромные тарелки. Грозовые тучи, например, являются сверхгигантскими конденсаторами, которые хранят огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Что об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между плитами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Художественное произведение: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто изготавливаются из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными моментами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик. Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как взаимозаменяемые, между ними есть разница: обычно они построены из разных материалов и структурированы немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения большего количества заряда. Представьте на мгновение, что электричество — это вода: если обычный конденсатор похож на ткань, которая может убрать лишь крошечную каплю жидкости, то пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсаторов — электрические губки!

А разделитель между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как регулятор настройки внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, на одной пластине образуются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это показано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Рисунок: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синяя и красная), разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком (серый). Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору хранить больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: Суперконденсаторы хранят больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых, обычно углеродсодержащих материалов, пропитанных электролитом. Пластины фактически имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность хранить гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе диэлектрика как такового нет. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжены, противоположный заряд формируется с обеих сторон сепаратора, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной всего в одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра). больше в обычном конденсаторе). Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму на иллюстрации, вы увидите, что суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшего расстояния между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в материаловедении привели к разработке гораздо более эффективных пластин из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?

Фотографии: Иногда суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель, работающая от батареи суперконденсаторов, для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавты, выходящие в открытый космос, не всегда могут ждать всю ночь, чтобы начать свои тренировки! Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Основная единица измерения электрической емкости называется фарад (Ф) в честь британского химика и физика-первопроходца. Майкл Фарадей (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (их обычно измеряют в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарад), нанофарадами (миллиардными долями фарад), или пикофарады (триллионные доли фарада). Напротив, типичный суперконденсатор может накапливать заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют номинальную емкость до нескольких тысяч фарад. Это по-прежнему составляет лишь часть (может быть, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. батарея. Но большое преимущество суперконденсатора в том, что он может хранить и отдавать энергию почти мгновенно — гораздо быстрее, чем батарея. Это потому, что суперконденсатор работает, создавая статические электрические заряды. заряды на твердых веществах, в то время как батарея основана на зарядах, которые медленно производятся в результате химических реакций, часто с участием жидкостей.

Батареи и суперконденсаторы часто сравнивают по энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, используемой или произведенной за определенный промежуток времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее). Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого накопления и высвобождения больших объемов энергии, но батареи по-прежнему являются основными для хранения больших объемов энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низком напряжении (возможно, 2–3 вольта), их можно соединить последовательно (как батареи) для получения более высокого напряжения для использования в более мощном оборудовании.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, они теоретически могут быть заряжены и разряжаться любое количество раз (листы спецификаций для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз). У них мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. не потребляя много энергии и работая на скорости, близкой к 100 процентная эффективность (97–98% обычно).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам необходимо хранить разумное количество энергии в течение относительно короткого времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы хранить в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно то, что вам нужно. Суперконденсаторы были широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергетические резервуары», которые сглаживают подвод электроэнергии к электрическим и электронное оборудование. Суперконденсаторы также могут быть подключены к батареи для регулирования мощности, которую они обеспечивают.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для накопления энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко применяемых в электромобилях. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Одним из распространенных применений являются ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, подаваемую ветром. В электрических и гибридных транспортные средства, суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных запасы энергии для рекуперативного торможения (где Энергия, которую транспортное средство обычно расходует при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Моторы, которые управляют электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, что означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно, необходимо для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 г. Market Research оценил мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказал, что достигнет 16,95 млрд долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Узнайте больше

На этом сайте

Батарейки
Конденсаторы
Электричество
Рекуперативные тормоза

Книги

Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения М. Олис Скибио, Б. Вишванатан. Elsevier, 2020. Исследует проблему разработки суперконденсаторов через призму материаловедения: из каких материалов получаются лучшие электроды и электролиты?
Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения Франсуа Бегена и Эльжбеты Фраковяк (редакторы). John Wiley & Sons, 2013. Всесторонний текущий обзор электрохимии и применения суперконденсаторов.
Электрохимические суперконденсаторы для хранения и доставки энергии: основы и применение Айпинг Ю, Виктор Шабо и Цзюцзюнь Чжан. CRC Press, 2013. В этой книге большое внимание уделяется практическим применениям, а также истории, производству, будущим задачам и направлениям исследований.
Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические приложения, Б. Э. Конвей. Springer, 1999. Объясняет основы науки о двухслойных конденсаторах и различиях между суперконденсаторами и батареями, прежде чем рассматривать такие области применения, как электромобили и компьютерная память.

Статьи

Превращение кирпичей в суперконденсаторы Мария Галлуччи, IEEE Spectrum, 13 августа 2020 г. Как превратить обычные кирпичи в накопители энергии с помощью простого полимерного покрытия.
Мыло, моющие средства и даже слабительные могут зарядить альтернативу аккумулятору, СяоЧжи Лим, IEEE Spectrum, 22 августа 2019 г. Как новые электроды могут помочь суперконденсаторам увеличить их емкость накопления энергии.
Напечатанный на 3D-принтере графеновый аэрогель обеспечивает самую высокую емкость для суперконденсатора от Dexter Johnson. IEEE Spectrum, 23 октября 2018 г.
Прорыв в хранении энергии может сократить время зарядки электромобилей, Адам Вон, The Guardian, 26 февраля 2018 г. Могут ли суперконденсаторы с быстрой зарядкой революционизировать срок службы «батарей» в электромобилях?
Нановолокна могут придать аккумуляторным электродам необходимое ускорение от Декстера Джонсона. IEEE Spectrum, 29 сентября 2017 г.
Цветок можно использовать как суперконденсатор: Physics World, 28 февраля 2017 г. Шведские ученые, которые превратили розу в транзистор, теперь использовали аналогичные идеи для создания суперконденсатора.
Как микроскопический суперконденсатор будет перезаряжать мобильную электронику Махер Ф. Эль-Кади и Ричард Б. Канер. IEEE Spectrum, 28 сентября 2015 г. Крошечные плоские графеновые суперконденсаторы могут привести к большому прогрессу в микроэлектроники, что делает повседневные гаджеты меньше, дешевле и с гораздо более длительным временем автономной работы.
Supercapacitors делают огромный скачок в производительности Декстер Джонсон, IEEE Spectrum, 28 мая 2015 г. Корейские ученые добились четырехкратного увеличения плотности энергии для суперконденсаторов на основе графена.
Ученые должны перестать путать аккумуляторы и суперконденсаторы, утверждают эксперты, Прачи Патель, IEEE Spectrum, 18 марта 2014 г. Почему переупаковывать аккумуляторы в суперконденсаторы неправильно и бесполезно.
Графеновый суперконденсатор бьет рекорд по хранению, Belle Dumé, Physics World, 26 ноября 2010 г. Как исследователи построили суперконденсатор на основе графена с плотностью энергии, аналогичной никель-металлогидридным батареям.
«UltraBattery» может поставить гибрид в каждый гараж, Мэтью Феникс, Wired, 25 января 2008 г. Как сочетание старомодных свинцово-кислотных аккумуляторов и суперконденсаторов может сэкономить на эксплуатационных расходах в гибридных автомобилях.

Патенты

В патентах вы найдете более глубокие технические детали; вот небольшая, но репрезентативная выборка:

US20180197690A1: многослойные графеновые пленки, устройства накопления энергии с использованием многослойных графеновых пленок в качестве электродов, а также методы производства многослойных графеновых пленок и устройств накопления энергии Донг-Вук Ли и др. , Samsung, 12 июля 2018 г. Суперконденсатор на основе графена имеет электроды, которые тоньше, дешевле и более гибкие, чем электроды на основе более ранних материалов, таких как оксид индия-олова (ITO).
US6697249B2: Суперконденсатор и способ изготовления такого суперконденсатора, Юрий Малетин и др., FOC Frankenburg Oil Co, 24 февраля 2004 г. В этой конструкции электроды изготовлены из порошков наноструктурированного углерода (SNC).
US6187061: Структура суперконденсатора и способ ее изготовления, Гленн Г. Аматуччи и др., Telcordia, 13 февраля 2001 г. Суперконденсатор на основе композитных электродов с полимерной матрицей.
US5426561A: Ультраконденсаторы и суперконденсаторы с высокой плотностью энергии и высокой плотностью мощности, авторы Шиао-Пинг С. Йен и Кэрол Р. Льюис, НАСА, 20 июня 1995. Описано применение тонкополимерных электродов.