Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Superkondensatory –zasada działania i możliwości zastosowań

dr inż. Bronisław Szubzda

2Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Co to jest kondensatorJest 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.

dSC

3Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Elektryczna warstwa podwójna

Wymiar d2 - 10 Å<1nm

4Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Elektryczna warstwa podwójna

5Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Model superkondensatora

6Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Porównaniebateria - superkondensator

1 godzina 1 sekunda

10 godzin

0,03 sekundy

100

10

1

0,1

0,0110 100 1000 10000

Gęstość mocy (W/kg)

Gęs

tość

ene

rgii

Wh/

kg

ogniwa paliwowe

baterie

konwencjonalne

superkondensatory

ko ndensatorykonwen cjon alne

1000

7Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Korzyść z zastosowania

Moc wyjściowa źródła zasilania może zostać dostosowana do zapotrzebowania średniego zamiast maksymalnego

Pmaks.

Pśr.0

1

2

3

4

5

6

0 30 60 90 120 150

t [a.u.]

P [a

.u.]

8Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Bateria - superkondensator

superkondensator dostarcza zmagazynowaną energięw momencie zwiększonego obciążenia,

czas pracy baterii może być przedłużony nawet pięciokrotnie1,

możliwość rekuperacji energii hamowania.

odbiornik

superkondensator

bateria

BATERIE:+ bardzo duża gęstość energii,- niska żywotność,- niska moc impulsowa.

SUPERKONDENSATORY:+ wysoka gęstość energii,+ wysoka moc impulsowa,+ obiecująco niska cena,+ wysoka żywotność, liczba cykli.

1CSIRO Energy Technology, 2002

9Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Michelin Hy-Light• Masa 850 kg

• Paliwo: wodór i tlen (ogniwo PEMFC)

• Moc ogniwa paliwowego – 30 kW

• Zespół superkondensatorów dostarczyćmoże 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

pojemność: 29 Fmasa: 53 kg

silniki napędowe

ogniwopaliwowe

wysokociśnieniowyzbiornik wodoru

układ magazynowania energii:zespół superkondensatorów

elektronikasterująca

wysokociśnieniowyzbiornik tlenu

10Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Airbus A380

„Układy bazujące na superkondensatorach są lżejsze niż akumulatorowe, a także sąbardziej 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

Awaryjne zasilanie systemów bezpieczeństwa (drzwi, trapy ewakuacyjne).Door and Slide Management System (DSMS)

11Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Skuter Hy-IEL

Szybkość maksymalna 30 km/hZasięg 50 km

1 – ogniwo paliwowe,2 – zbiornik sprężonego wodoru,3 – sprężarka powietrza,4 – superkondensator, 5 – akumulator,6 – panel sterujący.

12Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Elektrolity

Elektrolity wodneH2SO4 – H2O

Elektrolity organiczneEt4NBF4 - Acetonitryl

Napięcie pracy 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

Charaktery-styka

TańszeBezpieczne

Wyższy kosztNiebezpieczne

13Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Zgromadzona energia

C1 C2

R

21

111CCC

Ilość energii zgromadzonej w superkondensatorze jest proporcjonalna do jego pojemności i do kwadratu napięcia(!)

14Instytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we WrocławiuInstytut ElektrotechnikiOddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

Elektrolity

Elektrolity wodneH2SO4 – H2O

Elektrolity organiczneEt4NBF4 - Acetonitryl

Napięcie pracy 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

Charaktery-styka

TańszeBezpieczne

Wyższy kosztNiebezpieczne