Superkondensaator

Allikas: Vikipeedia

See artikkel vajab toimetamist

Sisukord 1 Superkondensaatori olemus 1.1 Superkondensaatori erimahtuvus 1.2 Superkondensaatori omadused 2 Kuidas superkondensaator töötab 3 Superkondensaatorite kasutamine

[redigeeri] Superkondensaatori olemus

Superkondensaator ehk ülikondensaator Supercapacitor on elektrienergiasalvestamise seade, milles energia on salvestatud süsinikelektroodide pinnale. Selline elektrienergia salvestamise meetod avastati juba 1957. aastal, seoses kütuselemendi uuringutega. Katsete käigus ilmnes anomaalia et elektrivool ei katkenud koheselt peale gaasivoo sulgemist vaid element tootis elektrit mõnda aega edasi. Uurimisel selgus et selle põhjuseks oli kütuselemendis aktiivse materjali kandjana kasutatud poorne süsinikelektrood, mis suutis hoida märkimisväärset laengut sees. Sel ajal süsinik eripinnaga 400m2/g, omas mahtuvust 80F/g. Järgnevatel aastatel “elektrokeemilise kondensaatori“ nagu seda algul nimetati, uurimised laienesid. Peagi jõuti ka esimese patendini [1]. Sarnaselt tänapäevaga püüti selliseid suure mahtuvusega süsteeme kasutada esmalt elektriautodel.

[redigeeri] Superkondensaatori erimahtuvus

Nagu superkondensaatori nimi ise märgib, on tegu väga suure mahtuvusega kondensaatoriga, keskmiselt 5-7 F/cm3. Energiaskaalas väljendades on see suurusjärgus 10Wh/l, mis ei ole suur, jäädes kuni 25 korda maha parimatest liitium- vooluallikatest. Siiski on sellisel energiasalvestamisel teatud eelised, mis teevad superkondensaatori eriti atraktiivseks.

[redigeeri] Superkondensaatori omadused

• Peamisena olgu märgitud energia salvestamise ja energia kättesaamiseks kulutatav aeg, mis võib kesta tunde kuid võib toimuda ka sekundite jooksul. Reeglina on kondensaatorite minimaalne laadimise aeg võrdne 3RC, kus R on sisetakistus ja C on mahtuvus. Kui parimatel elektrolüütkondensaatoritel on RC millisekundi suurusjärgus, siis superkondensaatoril on RC vahemikus 0,5 kuni 10 sekundit, sõltuvalt kasutatavatest komponentidest.

• Teise olulise eelisena tuleb märkida superkondensaatori tühjendamisel saadavat suurt võimsust, mille garanteerib juba eelpoolmainitud väike RC ja ülimadal sisetakistus. Kõrge kasutatava võimsuse poolest koos märkimisväärse energiatiheduse tõttu, ei ole vastalist teiste keemiliste vooluallikatele seas veel loodud.
• Adsorptsiooniline laengute salvestamise protsess tagab väga kõrge efektiivsuse, kuni 99%, mis energiasalvestamise seisukohalt on väga oluline just praktiliste lahenduste seas. Võimsuse ja energia sõltuvust väljendatakse Ragone graafikul, millel on kujutatud erivõimsuse ja erienergia logaritmilises teljestikus.[2]

• Viimaks tuleks veel märkida superkondensaatori pikka kasutusiga so. märkimisväärset täis-tühjakslaadimise tsüklite arvu. Kui akude normaalse kasutamise korral räägitakse kuni 2000 tsüklist, siis superkondensaatoritel on see tänu keemiliste protsesside puudumisele kuni üks miljon täis-tühjakslaadimise korda!

Ka eestis käib viljakas arendustöö superkondensaatorite vallas. Tartus paiknev väikeettevõte Tartu Tehnoloogiad OÜ [3] tegeleb ligi 10 aastat nanostruktuurse süsiniku uurimisega ning superkondensaatorite arendustegevusega.

[redigeeri] Kuidas superkondensaator töötab

Väliselt akudele väga sarnast süsteemi eristab oluliselt elektrilaengute kogumise mehhanism. Akudes salvestatakse energia elektrokeemise protsessi tulemusena, mis seisneb enamasti selles et aku laadimisel lahuses olevad metallioonid viiakse elektroodi pinnale ja muudetakse vabaks metalliks. Aku kasutamisel (tühjakslaadimisel) toimub uuesti metalli lahustumine ja elektrokeemiliste protsesside tõttu. Saadud protsessi iseloomustab kõrge energiatihedus, kuid mittetäieliku pöörduvuse tõttu akude omadused ajas muutuvad ja lõpmatult seda protsessi korrata ei saa. Superkondensaatoris salvestatakse elektrienergia samuti elektroodidele, kuid mitte keemiliselt. Nimelt liidetakse elektroodi pinnale ioonid füüsikalise adsorptsioonilisel teel. Tänu elektroodi materjali suurele eripinnale >1000m2/g, ja süsiniku kõrgele erimahtuvusele, saadakse ka märkimisväärsed mahtuvused ~1F/cm2 ühe elektroodi pinnaühiku kohta, sõltuvalt süsteemi konstruktsioonist. Seetõttu piisab suhteliselt väikestemõõtmelistest elektroodidest et saada märkimisväärne mahtuvus. Superkondensaator koosneb positiivsest ja negatiivsest elektroodist, mille välimisele poole on ühendatud voolukogujad (kollektorid) ja sisemisi külgi eraldab separaator. Kogu süsteem on impregneeritud sobiva elektrolüüdiga ja suletud korpusesse. Elektrolüüdi lahusena kasutatakse vesilahusel baseeruvaid või mittevesilahusel nn. orgaanilisi ehk aprotoonseid süsteeme. Vastavalt süsteemile valitakse ka separaatori ja voolukollektori ning korpuse materjal. Kasutatav elektrolüüt dikteerib ka üksikelemendile rakendatava pinge väärtuse, mis vesilahuste korral küünib umbes 1 voldini ja orgaanilisi elektrolüüte kasutades kuni 3 voldini. Kõrgema pinge saamiseks ühendatakse elemendid järjestikku kondensaatorpatareiks. Paljud kondensaatorite tootjaid püüdlevad orgaanilise elektrolüüdi kasutamise suunas, sest kondensaatorpatarei vajaliku pinge saavutamiseks kulub 3 korda vähem ükselemente. Superkondensaatori laadimisel elektrolüüdi positiivselt laetud ioonid, katioonid, liiguvad katoodile (-), tekitades pinnal negatiivse laengu ja anioonid liiguvad anoodile (+) tekitades sellel positiivse laengu. Suurepinnalise süsiniku poorid toimivad seejuures laengusäilitajatena. Seetõttu on oluline optimeerida kogu süsteem selliselt et kasutatava naopoorse süsiniku poorid oleksid ioonidele sobivate "mõõtmetega". Elektroodi paarist moodustub kaks järjestikku ühendatud kondensaatorit C+ ja C-. Plaatide pindala dikteerib mahtuvuse ja elektroodide vaheline kaugus, ehk elektrolüüdiga impregneeritud separaator, tagab sisetakistuse. Superkondensaatoris kogutakse laengud elektroodi pinnalt kokku voolukollektorite kaudu ning ühendades välisahelas + ja - kokku, toimub tühjakslaadimine ja ioonid liiguvad lahusesügavusse. Laadimisel protsess kordub taas. Tühjenemis-laadimiskõverad on patareidel ja kondensaatoritel täiesti erinevad. Kui patarei või aku on püsipinge allikas, siis superkondensaatori laadimisel pinge ajas muutub. Selline omapära muudab mõnevõrra keerulisemaks tarbijad kus soovitakse akud asendada otseselt superkondensaatoritega. Samas lubab selline omapära täpselt määrata kondensaatori laadumise astet igal ajahetkel. Enamgi veel, tänu eelpoolmainitud füüsikalisele adsorptsiooni protsessidele saab tarbida kondensaatorist energiat kuni praktiliselt null voldini, ilma süsteemi kahjustamata. Reeglina on superkondensaatoritega süsteemid optimeeritud selliselt et kasutatakse ära kuni pool kogupingest, mis energiaskaalas võrdub 75% maksimaalsest võimalikust väärtusest.

[redigeeri] Superkondensaatorite kasutamine

Superkondensaatorite turg on aasta-aastalt kasvanud. Tavalisele tootearengule on omajagu kaasa aidanud ka digitaaltehnoloogia võidukäik, kus energiaallikatest vajatakse üha suuremaid võimsusi lühikese aja jooksul. Enamikel kondensaatorite tootjatel jäävad üksikelementide mahtuvused ühe faradi ja mõnetuhande faradi piiresse. Mitmed tootjad (Maxwell, NESS, Epcos jt) on jaganud oma tooted ka vastavalt kasutusele - suure energiaga kondensaatorid ning suure võimsusega kondensaatorid. Väikese mahtuvusega superkondensaatoreid kasutatakse olmeelektroonikas, transmitterites mänguasjades jm. Kõrgema mahtuvusega elemente lisatakse süsteemidele, kus vajatavad võimsushulgad on märkimisväärsed ja akud ei suuda selliste koormustega toime tulla. Ka mitmed autotöösturid arendavad oma laborites superkondensaatoreid. Tuntud tegija selles vallas on Honda, kelle kütuselemendi ja kondensaatoriga varustatud sõidukid FCX-3 vuravad mitmel mandril maakeral juba aastaid. Honda kasutab oma süsteemis Superkondensaatori energiat sõiduki liigutamiseks kütuselemendi ülessoojendamise ajal. Ilmselgelt tänapäeva autoomanikud ei soovi endale liikurit, milles jõujaam saavutab rezhiimi alles mõne minuti möödumisel. Samuti kasutatakse sellises kombinatsioonis ära ka auto kineetiline energia ehk pidurdusenergia, mis salvestatakse jällegi kondensaatoritesse. Näiteks Honda FCX kasutab liikumiseks elektriajamit ja lisaks kütuselemendile ka superkondensaatorite süsteemi. Ka rallimaailmas, F1 tehnikale on pandud piirang mootorite võimsuse arendamise suunas ning on pööratud pilgud energiasäästlikumale sõidustiilile, mis sunnib sellise tehnikaklassi arendajaid süvenema uutele võimalustele. Aastaks 2009 peavad F1 seeria sõidukid olema varustatud pidurdusenergia kogumise seadmetega. Kas nendeks saavad olema hoorattad, hüdroajamid või kondensaatorid, seda näitab lähitulevik. Tava-transpordivahenditele on katsetanud superkondensaatoreid paljud tootjad, näiteks Nissan diiselmootoriga kaubaautodes, General Motors, BMW oma Experimental X5 jt. Kõigil tootjatel on eesmärgiks kütusekulu ja heitmete vähendamine, kaasates pidurdusenergia kogumise ja kiirendamine superkondensaatorite abiga. Hiinlastel on Šanghais käimas projekt, kus liinibussid kasutavad liikumiseks superkondensaatoritesse talletatud elektrienergiat. Pidurdamisel kogutakse kineetiline energia taas kondensaatoritesse kusjuures peatustes toimub vajadusel täiendav laadimine. Igati õnnestunud saavutus arvestades asjaolu, et linnatransport järgib kindlaid marsruute ning laadimine toimub plaanipäraselt selliselt et bussid energianälga ei jääks. Samas ka keskkonnasaaste vaatevinklist on see igati positiivne saavutus vähendades niigi saastunud suurlinnas kahjulike heitmeid. Oleme-elektroonikas on superkondensaatorid kasutusel telerites, CRT arvutimonitorides. Neid on kasutatakse on ka laua-arvutites, kus lühikese voolukatkestuse korral hoitakse mälusüsteemid ja ketas töös ning peale normaalolukorra taastumist saab tööd jätkata. Sülearvutites on kasutusel kondensaatorid, mis lubab arvutil akut vahetada tööd katkestamata. Sel juhul superkondensaator hoiab süsteemi üleval väidetavalt minutijagu ja enamgi. Samuti DVD ja CD mängijad ning juhtmevabad süsteemid nn. “wireless” on üks energiat vajav lahendus ja ka siinkohal oleks lahendusel abiks voolimpulsse stabiliseerida kondensaatorite abil. Superkondensaatorid on leidnud koha ka mänguasjades. Reeglina uus mänguasi pakub suurt huvi väikesele inimesele. Kui on tegemist patareitoitega asjadega, siis tihtipeale unustatakse need välja lülitada ja järgmise mängukorra ajaks tuleb vooluallikad asendada või laadida. Asendades vooluallikad kondensaatoritega, saab mänguasja kiirelt laadida ja peale kasutamist võib mänguasja taas unustada, sest kondensaatori laadimata hoidmine ei kahjusta süsteemi mingilgi määral. Superkondensaatori kasutamine akude abistajana on leidnud koha ka mobiiltelefonides. Austraalia kondensaatorite tootja Cap-XX on juba allkirjastanud paljude mobiiltelefonide tootjatega koostöölepingud ja tõsine tegija turul soovitakse olla juba aastal 2007.