Niedawno w ofercie naszego sklepu pojawiły się praktycznie nowe superkondensatory renomowanej firmy Maxwell o symbolu BCAP3000P. Niektórych ich pojemność przyprawia o zawrót głowy bo to aż 3000 faradów :) przy napięciu zasilania 2,7V. Oprócz tego, że sprzedajemy te kondensatory, wspólnie z Panem Hubertem Gronczyńskim z firmy ELEGRON www.elegron.pl postanowiliśmy zastosować je w praktyce. Tak powstał projekt ProtonShooter.

Zanim jednak przejdziemy do prezentacji samego urządzenia, jak i ciężkiej batalii, jaką stoczyliśmy przy budowie prototypu zaczniemy od samego początku. Pominiemy wstęp o stworzeniu świata i dalszej historii aż do XVIII wieku :)

Kondensator jest to przyrząd służący do gromadzenia ładunku elektrycznego. Odkrycie tego przyrządu przypisuje się Pieterowi (Petrus) van Musschenbroekowi w 1746 roku w Lejdzie. Nastąpiło ono przypadkiem, gdy podczas ładowania elektrycznego wody Musschenbroek trzymając mokrą butelkę ręką otrzymał bardzo mocne uderzenie (porażenie przeskokiem iskry elektrycznej). Była to "butelka lejdejska" czyli naczynie ze szkła wypełnione wodą i zatkane korkiem który był przebity na wylot miedzianym drutem. Wiadomość o butelce lejdejskiej szybko rozeszła i zwróciła uwagę na siebie innych fizyków. Od tamtej pory zaczął się rozwój kondensatorów. Jest ich bardzo dużo zarówno pod względem typu, technologii wykonania jak i samego zastosowania.

Minęło ponad sto lat zanim odkrycie z połowy XIX wieku znalazło swoje współczesne zastosowanie. Kiedy fizyk Helmholz przeprowadzał badania dotyczące przepływu prądu przez ciecze i odkrył zjawisko nazwane jego imieniem. Stwierdził, że aby prąd mógł popłynąć przez przewodzący elektrolit, w którym zanurzył dwie grafitowe elektrody napięcie powinno być wyższe od pewnej wartości granicznej zależnej od rodzaju elektrolitu. Jeśli napięcie to jest wyższe jony nie gromadzą się już w pobliżu odpowiednich elektrod, ale przedostają się do nich i zaczyna płynąć prąd. Towarzyszy temu wydzielanie substancji lub gazów.

Jeśli do zacisków umieszczonych w elektrolicie zostanie przyłożone napięcie niższe od wartości napięcia granicznego charakterystycznego dla danego elektrolitu jony znajdujące się w tym elektrolicie zaczynają się przemieszczać w kierunku odpowiednich elektrod. W tym momencie prąd przez elektrolit nie płynie. Jony nie przedostają się do elektrod, a jedynie gromadzą się w pobliżu nich. Zostają utworzone na granicy elektroda – roztwór dwie elektryczne warstwy, gdzie gromadzą się nośniki prądu o takiej samej wartości jak ładunek zgromadzony na powierzchni elektrody, ale z przeciwnym znakiem. Stąd wzięła się nazwa – kondensatory dwuwarstwowe. Ilość gromadzonego ładunku zależy od wartości napięcia przyłożonego do elektrod.

Przemieszczenie jonów w elektrolicie wymaga energii, która później może być zwrócona. Jest ona gromadzona w mikroporach oraz na granicy pomiędzy stałym materiałem elektrod, a elektrolitem, więc w odróżnieniu od tradycyjnych kondensatorów, energia nie jest gromadzona w atomach dielektryka.

Wynalezienie nowych materiałów pozwoliło zbudować superkondensatory nazywane również ultrakondensatorami lub kondensatorami dwuwarstwowymi. Przedrostek „super” zastosowano w nazwie tych kondensatorów ze względu na ich dużą pojemność. Decyduje o niej skuteczna powierzchnia elektrod oraz bardzo mała odległość między nimi. W roku 1972 w Japońskim koncernie Matsushita podjęto nad nimi pracę. Natomiast pierwsze superkondensatory przeznaczone do sprzedaży wypuściła należąca do tego koncernu firma Panasonic pod nazwą „GoldCap”.

Obecnie superkondensatory są produkowane jeszcze przez takie firmy jak: EPCOS, AMS Electronic, Nec, Maxwell, Tokin, Kanebo, Elna. Superkondensatory oprócz bardzo dużych pojemności charakteryzują się dość niskim napięciem granicznym (poniżej 3V), którego przekroczenie  niszczy go gdyż następuje elektroliza elektrolitu.

Superkondensator można umieścić pomiędzy tradycyjnymi kondensatorami, a akumulatorami, ponieważ łączy on cechy każdego z tych elementów. Podobnie jak akumulator  potrafi gromadzić duże ilości energii (jednak w dalszym ciągu o rząd niższe) i podobnie do tradycyjnych kondensatorów może w szybki sposób (ze względu na małą wartość rezystancji wewnętrznej) pobierać i oddawać duże wartości mocy (o wiele większe niż akumulatory).

Jako przykład w tym miejscu zastosujemy wspomniany wcześniej kondensator Maxwell'a BCAP3000P. Na wstępie można zapoznać się z oryginalną kartą DTR producenta do pobrania pod tym linkiem. Jak już wcześniej wspominaliśmy ma on pojemność 3000F i napięcie graniczne 2,7V. Jak podaje producent można z niego pociągnąć w sposób bezpieczny prąd ciągły na poziomie 147 A i chwilowy przez maksymalnie 1 sekundę 2170A. Prąd zwarcia tego kondensatora to 9.600 A i nie jest to pobór bezpieczny dla kondensatora, spowoduje jego trwałe uszkodzenie lub nawet eksplozję. Wspominaliśmy już, że superkondensatory charakteryzują się ultra niską impedancją wewnętrzną co pozwala bardzo szybko je ładować dużymi prądami i równie szybko rozładowywać. Rezystancja wewnętrzna tego kondensatora dla prądu stałego to 0,29 mΩ i 0,24 mΩ dla prądu przemiennego (1kHz).

Dzięki ultraniskiej rezystancji wewnętrznej z kondensatora można pobierać niesamowite wartości prądów z zachowaniem ich bezpieczeństwa. By to Państwu wstępnie zademonstrować postanowiliśmy trochę poiskrzyć z baterii 4 połączonych szeregowo kondensatorów naładowanych do napięcia 10,5 V. Cienkim przewodem miedzianym zwieraliśmy wyjście z kondensatora i w chwili styku tych naszych "elektrod" dochodziło do małej eksplozji drutów w miejscu styku i obwód się przerywał.

To pierwsza najprostsza demonstracja możliwości naszego kondensatora bezpośrednio związana z przyszłym zastosowaniem w projekcie ProtonShooter. Tę ogromną moc dostępną w ciągu jednej chwili musimy jakoś okiełznać i właśnie tym zajęliśmy się w projekcie.

Już wiemy, że pod względem rezystancji wewnętrznej i poboru mocy akumulatory nie dorastają superkondensatorom do pięt, zobaczmy teraz jak wygląda kwestia pojemności.

Powyższy wzór matematyczny obrazuje nam zależności pomiędzy ładunkiem elektrycznym zgromadzonym na okładkach kondensatora, napięciem i pojemnością tego kondensatora. Jednak wzór w takiej postaci nie wystarczy nam by policzyć jaką energię możemy zgromadzić w naszym kondensatorze. Daną mamy pojemność: 3000 F, napięcie 2,7 V no i czas w jakim założymy rozładowanie kondensatora. Większość jednostek pojemności odnosi się do godziny więc przyjmiemy i my taką wartość. Spróbujmy wzór przerobić tak, by można było do niego podstawić nasze wartości. Ładunek elektryczny liczony jest w kulombach a 1 C to  ładunek elektryczny przepływający w czasie 1 sekundy przez przekrój poprzeczny przewodnika, gdy natężenie prądu elektrycznego płynącego przez tę powierzchnię wynosi 1 amper, czyli: 1C = 1A x 1s. Stąd nasz wzór może przyjąć postać:

Zakładając czas na poziomie 1 godziny, ze wzoru musimy wyznaczyć prąd jaki popłynie z kondensatora w tym czasie. Tak więc wzór po przekształceniach przyjmie postać:

Z wyliczeń dla naszego kondensatora wynika, że przy pełnym naładowaniu z kondensatora może płynąć ciągły prąd 2,25 A przez jedną godzinę. Daje to pojemność 2,25 Ah czyli w porównaniu z tradycyjnymi akumulatorami niezbyt wiele.

Jako, że superkondensatory jakie mamy w ofercie były używane postanowiliśmy sprawdzić ich realną pojemność. W tym celu zestawiliśmy w pracowni aparaturę z powyższego zdjęcia. Jest to zasilacz laboratoryjny z programowanym ograniczeniem prądowym (dlaczego to takie ważne dowiecie się Państwo w dalszej części opracowania), mikroprocesorowy miernik energii elektrycznej prądu stałego oraz badany kondensator.

Rozpoczęliśmy ładowanie kondensatora prądem o natężeniu 3A, miernik dokonywał chwilowych pomiarów wartości prądu i napięcia oraz obliczał chwilową moc i wyliczał całkowitą ilość energii jaka przepłynęła od zasilacza do kondensatora. Po czasie 53 min. kondensator już praktycznie całkowicie się naładował a licznik energii wskazał 3,023 Wh. Nota katalogowa podaje pojemność 3,04 Wh, ale pamiętajmy, że tam jeszcze płynął prąd na poziomie 0,6A więc pewnie dało by się upchnąć jeszcze ten skrawek energii, ale przy takim prądzie trwało by to bardzo długo.

Niższa pojemność superkondensatorów jest pewną ich wadą (jeszcze), ale zalet jest dużo więcej i sprawiają one, że lista zastosowań superkondensatorów nieprzerwanie się zwiększa. Na tej liście znajduje się głównie przemysł motoryzacyjny (samochody hybrydowe i elektryczne), energetyczny (stabilizacja pracy sieci), kosmiczny (jako superpojemne magazyny energii), elektroniczny i telekomunikacyjny (baterie telefonów komórkowych). Coraz popularniejsze jest stosowanie superkondensatorów w połączeniu z innymi źródłami energii np. akumulatorami lub ogniwami paliwowymi. Odpowiednio dobrane i połączone elementy tworzą układ o wysokiej wartości energii oraz mocy, zwiększonej sprawności i żywotności.

Podstawowe cechy superkondensatorów.

Zalety:

• duża gęstość mocy (maksymalne wartości dochodzą do 100 000W/kg, w porównaniu z akumulatorami Pb: 450 W/kg, Li: 450W/kg, NiMH: 500 W/kg),

• stosunek P/E mocy chwilowej do mocy średniej – powyżej 1500,

• duża szybkość ładowania – rozładowania – w porównaniu z akumulatorami,

• liczba cykli pracy – liczona w milionach,

• czas życia – kilkadziesiąt lat,

• komponent bezobsługowy o niskich kosztach eksploatacji,

• mała wartość zastępczej szeregowej rezystancji wewnętrznej w porównaniu z akumulatorami i mała w porównaniu z klasycznymi kondensatorami

• bezproblemowe działanie w niskiej temperaturze do - 40oc,

• wysoka sprawność (84 – 95%),

• mały koszt zakupu w przeliczeniu na liczbę cykli,

• większość nie posiada ściśle określonej biegunowości,

• mała szkodliwość dla środowiska,

• mała masa

Wady:

• mała gęstość energii (maksymalne wartości dochodzą do 25 Wh/kg, w porównaniu z akumulatorami Pb: 70 Wh/kg, Li: 100 Wh/kg, NiMH: 90 Wh/kg),

• po pewnym czasie bezczynności występuje samorozładowanie,

• dopuszczalne napięcie pracy wynosi zwykle od 2 do 3 V dla pojedynczego ogniwa,

Ze względu na niskie dopuszczalne napięcie pracy, którego przekroczenie może spowodować powstanie elektrolizy i w końcu nawet wybuch pod wpływem powstających gazów, stosuje się szeregowe łączenie superkondensatorów. W wyniku występowania zjawiska upływności (zmniejszania się napięcia pod wpływem czasu) powstanie niejednakowy rozkład napięć na poszczególnych ogniwach, a w ostateczności uszkodzenie niektórych z nich. Aby temu zapobiec stosuje się specjalne układy wyrównujące napięcia, nazywane balancerami - opiszemy je w dalszej części artykułu.

PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ SUPERKONDENSATORÓW

Kondensatory elektrochemiczne stają się coraz bardziej niezawodnymi urządzeniami współpracującymi zarówno z elektrowniami wiatrowymi, jak i systemami ogniw fotowoltaicznych. Zdolność superkondensatorów do bardzo szybkiego ładowania i rozładowania energii, którą gromadzą, sprawia, że urządzenia te bardzo szybko dostosowują się do zmian obciążenia. Superkondensatory znalazły zastosowanie w sprzęcie domowego użytku, narzędziach elektronicznych, telefonach komórkowych, aparatach fotograficznych itp. Wykorzystywane są również w układach zasilania samochodów o napędach elektrycznych. W przemyśle motoryzacyjnym główne działanie kondensatorów elektrochemicznych polega na wspomaganiu klasycznych akumulatorów poprzez działanie jako dodatkowy bufor podczas przyspieszania oraz hamowania. Zastosowanie takiego rozwiązania obniża koszty eksploatacji pojazdu, co wynika z przedłużenia żywotności akumulatora. Superkondensatory zabezpieczają akumulator przed szkodliwym wpływem obciążeń szczytowych. Odzysk energii hamowania przez superkondensator również obniża koszty eksploatacyjne poprzez zmniejszenie zużycia energii.

PODSUMOWANIE

Superkondensatory dynamicznie wkraczają na rynek energetyczny. Unormowania prawne w obszarze ochrony środowiska i zrównoważonego rozwoju obligują do wykorzystywania odnawialnych źródeł energii, co z kolei generuje zapotrzebowanie na niezawodne systemy do magazynowania i konwersji energii. Kondensatory elektrochemiczne są zdolne do szybkiego ładowania i rozładowania oraz cechują się długim czasem życia, lecz nie są w stanie zmagazynować tak dużej energii elektrycznej, jak akumulatory czy ogniwa paliwowe. Porównanie cech kondensatorów elektrochemicznych i akumulatorów wykazuje, że urządzenia te wzajemnie się uzupełniają. Właśnie dlatego bardzo dobrym rozwiązaniem jest połączenie superkondensatorów z chemicznymi źródłami prądu.