Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu Superkondensatory zasada działania i możliwości zastosowań dr inż. Bronisław Szubzda
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
Elektryczna warstwa podwójna Wymiar d 2-10 Å <1nm 3
Elektryczna warstwa podwójna 4
Model superkondensatora 5
Porównanie bateria - superkondensator Gęstość energii Wh/kg 1000 100 10 1 0,1 ogniwa pa liwowe 10 godzin baterie konwe ncjonalne 1 godzina 1 sekunda 0,03 sekundy 0,01 10 100 1000 10000 Gęstość mocy (W/kg) superkondensatory ko ndensatory konwen cjon alne 6
Korzyść z zastosowania 6 5 4 Moc wyjściowa źródła zasilania może zostać dostosowana do zapotrzebowania średniego zamiast maksymalnego P [a.u.] 3 2 1 P maks. 0 0 30 60 90 120 150 t [a.u.] P śr. 7
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
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 32-45 kw podczas 14-20 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
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
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
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 250 300 F/g 150 250 F/g Charakterystyka Tańsze Bezpieczne Wyższy koszt Niebezpieczne 12
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
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 250 300 F/g 150 250 F/g Tańsze Bezpieczne Wyższy koszt Niebezpieczne 14