Instytut Elektrotechniki Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Transkrypt

1 Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu Superkondensatory zasada działania i możliwości zastosowań dr inż. Bronisław Szubzda

2 Co to jest kondensator Jest to układ dwóch równoległych przewodników prądu elektrycznego odizolowanych od siebie cienką warstwą materiału nieprzewodzącego dielektryka. Układ ten posiada własność gromadzenia ładunków elektrycznych wykorzystując wzajemne przyciąganie się ładunków o przeciwnych znakach. Pojemność kondensatora (ilość zgromadzonego ładunku elektrycznego) jest tym większa, im większa jest powierzchnia sąsiadujących z sobą przewodników S (okładek kondensatora) oraz im mniejsza jest grubość oddzielającego je dielektryka d. C S d 2

3 Elektryczna warstwa podwójna Wymiar d 2-10 Å <1nm 3

4 Elektryczna warstwa podwójna 4

5 Model superkondensatora 5

6 Porównanie bateria - superkondensator Gęstość energii Wh/kg ,1 ogniwa pa liwowe 10 godzin baterie konwe ncjonalne 1 godzina 1 sekunda 0,03 sekundy 0, Gęstość mocy (W/kg) superkondensatory ko ndensatory konwen cjon alne 6

7 Korzyść z zastosowania Moc wyjściowa źródła zasilania może zostać dostosowana do zapotrzebowania średniego zamiast maksymalnego P [a.u.] P maks t [a.u.] P śr. 7

8 Bateria - superkondensator superkondensator dostarcza zmagazynowaną energię w momencie zwiększonego obciążenia, czas pracy baterii może być przedłużony nawet pięciokrotnie 1, możliwość rekuperacji energii hamowania. bateria superkondensator 1 CSIRO Energy Technology, 2002 odbiornik BATERIE: + bardzo duża gęstość energii, - niska żywotność, - niska moc impulsowa. SUPERKONDENSATORY: + wysoka gęstość energii, + wysoka moc impulsowa, + obiecująco niska cena, + wysoka żywotność, liczba cykli. 8

9 Michelin Hy-Light ogniwo paliwowe wysokociśnieniowy zbiornik wodoru pojemność: 29 F masa: 53 kg silniki napędowe układ magazynowania energii: zespół superkondensatorów elektronika sterująca wysokociśnieniowy zbiornik tlenu Masa 850 kg Paliwo: wodór i tlen (ogniwo PEMFC) Moc ogniwa paliwowego 30 kw Zespół superkondensatorów dostarczyć może kw podczas sekundowego przyspieszania 2 silniki elektryczne napędzające przednie koła Prędkość maksymalna 130 km/h Zasięg 400 km przy stałej prędkości 80km/h Przyspieszenie 0-100km/h: poniżej 12s Rekuperacja energii podczas hamowania Zerowa emisja zanieczyszczeń 9

10 Airbus A380 Awaryjne zasilanie systemów bezpieczeństwa (drzwi, trapy ewakuacyjne). Door and Slide Management System (DSMS) Układy bazujące na superkondensatorach są lżejsze niż akumulatorowe, a także są bardziej niezawodne, [ ] w przypadku awarii głównych systemów, przez osiem godzin przechowują energię niezbędną do zasilenia modułów wykonawczych. [ ] nie wymagają okresowych czynności konserwacyjnych, a ich zwarta konstrukcja i ilość cykli ładowania-rozładowania [ ] sprawia, że mogą być użytkowane przez wiele lat bez wymiany. Dr. Wolfgang Helbach, managing director of Diehl Luftfahrt Elektronik 10

11 Skuter Hy-IEL Szybkość maksymalna 30 km/h Zasięg 50 km 1 ogniwo paliwowe, 2 zbiornik sprężonego wodoru, 3 sprężarka powietrza, 4 superkondensator, 5 akumulator, 6 panel sterujący. 11

12 Elektrolity Napięcie pracy Elektrolity wodne H 2 SO 4 H 2 O Elektrolity organiczne Et 4 NBF 4 - Acetonitryl 0,6 0,7 V 2,2 2,7 V Przewodnictwo elektryczne ok. 1 S/cm ok. 0,02 S/cm Maksymalna pojemność F/g F/g Charakterystyka Tańsze Bezpieczne Wyższy koszt Niebezpieczne 12

13 Zgromadzona energia Ilość energii zgromadzonej w superkondensatorze jest proporcjonalna do jego pojemności i do kwadratu napięcia(!) C 1 C 2 R 1 C 1 C 1 1 C 2 13

14 Elektrolity Napięcie pracy Przewodnictwo elektryczne Maksymalna pojemność Charakterystyka Elektrolity wodne H 2 SO 4 H 2 O Elektrolity organiczne Et 4 NBF 4 - Acetonitryl 0,6 0,7 V 2,2 2,7 V ok. 1 S/cm ok. 0,02 S/cm F/g F/g Tańsze Bezpieczne Wyższy koszt Niebezpieczne 14