пятница

Суперконденсатор - их принцип действия и область применения

Супер- или ультраконденсаторы, известные также как высокоёмкие конденсаторы, накапливают энергию электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. В процессе накопления энергии в суперконденсаторе не задействованы химические реакции, хотя суперконденсатор – электрохимическое устройство. Высокоёмкие или суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться тысячи раз в силу высокой обратимости механизма накопления энергии.

Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, обладающий способностью накапливать чрезвычайно большое, по отношению к его размеру и в сравнении с традиционным конденсатором, количество энергии. Это свойство суперконденсатора представляет особый интерес для автомобильной промышленности в производстве гибридных транспортных средств, а также в производстве транспорта на аккумуляторной электротяге, где суперконденсатор используется в качестве дополнительного накопителя энергии.


Виды суперконденсаторов

Свойства суперконденсаторов

Среди свойств следует отметить:
  • Самую высокую плотность емкости;
  • Самую низкую стоимость в расчете на 1 фараду;
  • Надежный, длительный срок службы;
  • Высокий кпд цикла (95% и выше);
  • Бесперебойную эксплуатацию;
  • Экологическую безопасность;
  • Широкий диапазон рабочих температур;
  • Высокую удельную мощность и достаточно высокую удельную энергию;
  • Очень высокую скорость заряда/разряда;
  • Большое количество (тысячи) циклов с незначительным ухудшением параметров;
  • Хорошую обратимость механизма накопления энергии;
  • Сниженную токсичность используемых материалов;
  • Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС).

Суперконденсаторы, емкость которых обеспечивается их двухслойной структурой, накапливают энергию в поляризованном жидком слое толщиной всего несколько ангстрем, расположенном на границе между раствором электролита с ионной проводимостью и электродом с электронной проводимостью. По мнению специалистов в этой области, например, г-на Калерта (Dr. Kahlert), суперконденсаторами следует считать конденсаторы емкостью минимум 10 фарад.

Суперконденсаторы – это преимущественно двухслойные конденсаторы; конденсаторы, изготовленные по другим технологиям, например, плёночные или керамические, суперконденсаторами не считают. Обычно, в суперконденсаторе два активных электрода, разделенные пористым непроводящим материалом, размещены между двумя металлическими токовыми коллекторами. Электролит, водный либо органический, пропитывает пористые электроды и обеспечивает возникновение носителей заряда с последующим его накоплением.

Суперконденсатор обычно используют для обеспечения импульсной или пиковой мощности в каком-либо устройстве. Суперконденсатор также используется для кратковременного снабжения устройств энергией и для поглощения энергии из области своего применения. Примером применения пиковой мощности являются линии электропередачи, примером кратковременного снабжения энергией – сотовые телефоны/бытовая электроника и радиотехника, а примером поглощения энергии – устройства регенеративного торможения в гибридных/электрических транспортных средствах.

Область применения суперконденсаторов

Области применения суперконденсаторов можно классифицировать, основываясь на существующем и потенциальном применении. Среди развивающихся областей применения:
  • накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, например, солнца, ветра и океанской волны, топливных элементов;
  • транспортные средства, например, гибридные электрические транспортные средства, устройства запуска двигателя обычных транспортных средств, работающих на бензине, локомотивы поездов и транспортные средства, работающие на водородном топливе.

Суперконденсаторы также могут использоваться как накопители энергии в жилищном секторе, например, в домах с солнечными фотоэлектрическими системами, где требуются не обычные аккумуляторные батареи, а иные накопительные устройства. В ближайшем будущем многообещающими областями применения могут стать военная техника, авиакосмическая и медицинская промышленность.

Благодаря высокой удельной емкости и плотности энергии, суперконденсаторы используются как источник кратковременного электропитания в электронных устройствах. Их также очень широко используют в системах бесперебойного электропитания (UPS). Преимуществом является то, что они обеспечивают мгновенную мощность в критических областях применения.

Среди развивающихся областей применения суперконденсаторов — кратковременное параллельное питание для стационарных систем бесперебойного электропитания с топливными элементами. В наибольшей степени они пригодны для использования в устройствах запуска двигателя, а также в устройствах демпфирования пиковой нагрузки.

Среди существующих областей применения — электроэнергетика с критическими нагрузками (энергосистемы общего пользования), больницы, банковские центры, вышки беспроводной связи и коммуникации аэропортов. Суперконденсаторы обеспечивают критическую нагрузку в течение нескольких секунд и даже миллисекунд.

Самое широкое применение они нашли на рынке бытовой электроники в виде источника резервного питания запоминающих устройств, микропроцессоров и материнских плат. На рынке потребительской электроники суперконденсаторы во всевозрастающем количестве используются в мобильных телефонах.

Продолжение смотрите на сайте Электрик Инфо:


Принцип работы солнечных батарей - их устройство

Принцип работы солнечных батарей

В этой статье мы вам расскажем, про принцип работы солнечных батарей. В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Устройство солнечных батарей

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею. Э.д.с. (электродвижущая сила) отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С.

Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи. 

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Из чего состоит солнечная батарея

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит к выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи. 

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а э.д.с. — последовательно включенных солнечных элементов. Так комбинируя типы соединения собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает. Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов, они шунтируются и ток через них не идет. Диоды должны быть низкоомными, чтобы уменьшить на них падение напряжения. Для этих целей в последнее время используют диоды Шоттки.

Продолжение читайте на сайте Электрик Инфо:

среда

Первые поршневые машины - история создания

Первую паровую машину построил в 90-х годах XVII в. французский изобретатель Дени Папен. Она была весьма несовершенна. В цилиндрическом сосуде с поршнем кипятили воду о образующийся пар поднимал поршень. Затем сосуд снимали с огня и обливали холодной водой, чтобы пар конденсировался и образовался вакуум, под действием атмосферного давления поршень опускался вниз. Это был рабочий ход поршня.

Для следующего хода поршня вверх надо было снова кипятить воду в цилиндре. КПД этой машины был очень низок, а работала она медленно. Однако большая заслуга Д. Папена состоит в том, что он впервые (в 1690 г.) правильно описал, в какой последовательности должен идти процесс работы поршневой паровой машины.


В дальнейших ранних попытках создания паровой машины паровой котел уже был отдален от рабочего цилиндра.

Наиболее удачной была машина, построенная англичанами Т. Ньюкоменом и его помощником Коули. Их машина начала работать в 1711 г. Она приводила в движение насос. Пар получали в котле. Когда под действием силы тяжести опускались штанга насоса и груз, то поднимался поршень, подвешенный на другом конце балансира, а пар из парового котла поступал в цилиндр.

Когда поршень достигал своего высшего положения, кран закрывался, из сосуда через кран в цилиндр вспрыскивалась холодная вода, пар конденсировался и образовывался вакуум. Атмосферное давление заставляло поршень опускаться, а груз подниматься. Затем снова в цилиндр впускался пар.


Машина Ньюкомена — Коули использовалась свыше 90 лет, однако она имела серьезные недостатки:
  • КПД ее был низок, а рабочие ходы-поршня машины разделялись длительными промежутками;
  • она могла приводить в действие только насос.
Русский техник Иван Иванович Ползунов значительно усовершенствовал паровую машину. Постройку своей машины Ползунов завершил в 1765 г., а пущена она была в 1766 г. после смерти изобретателя.

Машина Ползу нова имела два цилиндра. Когда один из цилиндров сообщался с паровым котлом, в другой впускалась охлаждающая вода. Поршни опускались под действием атмосферного давления. В то время, как один из них опускался, под другой поступал пар, и он поднимался. Движение поршней передавалось на шкив, поэтому шкив непрерывно поворачивался то в одну, то в другую сторону.

Возвратно-поступательное движение шкива могло быть преобразовано во вращение рабочего вала. Это давало возможность приводить в движение станки и другие механизмы. Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем.

Паровая машина стала использоваться широко после усовершенствований, внесенных в ее конструкцию англичанином Джемсом Уаттом. Он стремился снизить затраты топлива и решил разделить цилиндр машины на два: в одном — горячем — осуществлять впуск пара и рабочий ход, в другом — холодном — конденсацию пара.


Так паровая машина приобрела конденсатор. Это сразу значительно повысило ее экономичность. Уатт внес в конструкцию паровой машины целый ряд других усовершенствований. Важнейшее из них заключалось в том, что в машине Уатта движущей силой было уже не атмосферное давление, а давление самого пара, которое могло быть сделано значительно большим атмосферного. Поршень перемещался под давлением пара как в одну, так и в другую сторону. Первые паровые машины Уатта имели мощность около 35 кВт и КПД менее 3%.

Трудами Уатта и других изобретателей паровая машина постепенно совершенствовалась и завоевывала все новые, и новые отрасли промышленности и транспорт.

К концу XIX века мощность паровой машины достигла 15 МВт, КПД 15%, давление используемого пара 12 МПа, а его температура 400 оС. Но поршневая паровая машина с ее невысоким КПД постепенно была заменена более совершенными тепловыми двигателями.

Популярные статьи