Видовете съхранение
Енергията се пази по много начини:
- механично – маховик, сгъстен въздух, вдигната тежест;
- електрохимично – батерии;
- топлинно;
- химично – водород;
- електрическо – кондензатори и суперкондензатори;
- хибридно.
Батериите са първични (еднократни, реакцията е необратима: цинково-въглеродни, алкални) или вторични (акумулатори). Акумулаторите издържат около 1000 цикъла в колите и до около 20 000 в соларните системи. Две числа описват всеки склад:
- плътност на енергията (Wh/kg) – колко дълго може да дава;
- плътност на мощността (W/kg) – колко бързо.
Двете се рисуват една срещу друга на диаграмата на Рагон.
Колко дълго срещу колко бързо (ориентировъчно)
кондензатор суперкондензатор оловен акумулатор Li-ion горивна клетка
Обикновеният кондензатор е горе вляво: огромна мощност, нищожна енергия. Батериите са долу вдясно: много енергия, бавно. Суперкондензаторът е по средата: 10–100 пъти повече енергия от кондензатора, около 10 пъти по-малко от Li-ion, но зарежда и дава за секунди. Хибридната система (батерия + суперкондензатор) взима от двете.
Суперкондензаторът отвътре
Двата електрода са от активен въглен с огромна повърхност: 500–2000 m² на грам. Между тях има сепаратор и електролит. Йоните полепват по повърхността и образуват двоен слой на Хелмхолц, дебел само 0,3–0,8 nm. Това е „d“ в C = εA/d: огромно A и мъничко d дават капацитет до 5000 F. Устройството е всъщност два кондензатора последователно, по един на всеки електрод.
| Параметър | Стойност |
|---|---|
| капацитет | до 5000 F, толеранс −20/+80 % |
| работно напрежение | 2,3–3,6 V на клетка (импулсно +10–20 %) |
| ESR (импеданс при 1 kHz) | от части от mΩ до стотици Ω |
| ток на утечка | mA |
| специфична енергия | 0,5–15 Wh/kg (Li-ion 100–265, олово 30–40) |
| живот | ~10 години, 10⁵–10⁶ цикъла; всеки +10 °C – половин живот |
Видовете са двуслойни (EDLC, електростатични, най-масови), псевдокондензатори (с редокс реакции, C зависи от U) и хибридни.
Напрежението на една клетка е ниско, затова се свързват n последователно (C/n при n·U_W) и m паралелно. Последователните клетки задължително се балансират: пасивно (резистор на всяка клетка) или активно (електроника с микроконтролер). Иначе най-малката клетка се презарежда.
Колко мерения има в един суперкондензатор
Сензорният възел харчи около 3 mJ за едно мерене и изпращане. Суперкондензатор 10 F, зареден до 2,7 V, пази 36,5 J. Но DC-DC-то не работи под 0,9 V, затова се ползват само 32,4 J (88,9 %). Това са 10800 мерения.
Напрежението по време на разряда
суперкондензатор Li-ion (3,0–4,2 V) минимум на DC-DC
Li-ion (синьо) стои почти на едно напрежение и пада рязко накрая. Суперкондензаторът (зелено) пада непрекъснато, защото U = √(2E/C). Половината напрежение значи, че остава четвърт от енергията. Затова DC-DC с ниско U_мин е толкова важно: при 0,9 V от 2,7 V се взимат 89 % от енергията, а при 1,8 V – само 56 %.
Плюсове:
- 10 пъти по-голям импулсен ток и 1000 пъти повече цикли от акумулатора;
- без поддръжка и с бързо зареждане;
- разреждане до 0 V, работа на студено (−40 °C), без отровни вещества.
Минуси: 10 пъти по-малка енергийна плътност, напрежение, което пада при разряда, и утечка.
Самопроверка
1. Суперкондензатор 10 F при 2,7 V – колко енергия пази и за колко мерения по 3 mJ стига?
E = ½·10·2,7² = 36,5 J → ~12 000 мерения (ако се ползва всичко; реално – до U_мин на DC-DC).
2. Защо суперкондензаторът има толкова голям капацитет?
Огромна повърхност на активния въглен (до 2000 m²/g) и двоен слой с дебелина под 1 nm – C = εA/d.
3. 6 клетки по 100 F / 2,7 V последователно – каква е батерията?
C = 100/6 ≈ 16,7 F при 6·2,7 = 16,2 V; трябва балансиране.
4. Каква е разликата между плътност на енергията и плътност на мощността?
Енергията (Wh/kg) – колко дълго може да дава; мощността (W/kg) – колко бързо. Диаграмата на Рагон ги рисува една срещу друга.