687_Sazhnev_A.M._Sistemy_ehlektropitanija_

преобразует ее в полезную электрическую мощность для запаса в батареях и конденсаторах [3]. Такая система состоит из интеллектуального преобразователя энергии и электронной схемы, осуществляющей функции сбора и запаса энергии. Генератор преобразует механическую энергию вибрации в эквивалентную электрическую энергию с помощью пьезоэлектрической RLPбалки, прикреплённой к вибрационной

модуля. Модуль запаса мощности включает электронную архитектуру, которая эффективно запасает сгенерированную мощность в батарее или конденсаторе.

Рис. 1.13 – Технология захвата энергии Adaptiv Energy: энергосберегающий модуль Joule-Thief; б) энергособирающая RLP-балка

В состав интеллектуального преобразователя Joule-Thief входит композитная балка, которая состоит из кантилеверного клина с прикреплённым пьезоэлектрическим слоем и подвешенной на его наконечнике инерционной массой. Масса преобразует входное ускорение базы в эффективную инерциальную силу на наконечнике, отклоняющую балку, что наводит механическое напряжение в пьезоэлектрическом слое. Механическое напряжение приводит к поляризации пьезокерамики, а дополнение структуры электродами обеспечивает поляризационный ток, который преобразуется в полезную мощность. Преимуществом технологии является возможность работы RLP-балки в жёстких условиях в течение длительных периодов времени, в отличие от ненагруженных устройств. Система Joule-Thief имеет высокий коэффициент полезного действия 60…80%. Однако чтобы достичь этих значений, требуется соответствие формы балки окружающим условиям, спектру и параметрам входной вибрации (ускорение, частота). Joule-Thief применяется в качестве

21

источника питания с мониторингом для носимых электронных устройств, беспроводных сенсорных и переключающих систем, дополняющих устройства для заряда батарей. Преобразователи Joule-Thief рекомендованы для многих беспроводных систем, например, для расширения батарейных беспроводных датчиков и переключателей.

Устройство сбора электромагнитной энергии преобразует механическую энергию (вибрации) в электрическую. Один из вариантов реализации состоит в том, что обмотка, прикреплённая к колеблющейся массе, преобразует магнитное поле фиксированного магнита, другой способ заключается в перемещении постоянной магнитной структуры, относительно которой обмотка удерживается фиксированной. На выходе обмотки в переменном магнитном поле по закону Фарадея наводится напряжение.

Компания Perpetum реализовала вариант с перемещением магнита относительно стационарной обмотки [3]. Достигнуто увеличение выходной мощности, где фиксированные электрические соединения являются более надёжными. Выходное напряжение в таких системах может регулироваться на требуемых уровнях или с учетом запаса на потери.

Автономный энергособиратель PMG (Perpetual Micro-Generators) FSH (FreeStanding Vibration Energy Harvester) (рис. 1.14 а) обеспечивает сбор электромагнитной энергии, ее хранение и контроль. В состав этого устройства входит схема управления для заряда внешнего запасающего устройства током до 4 мА при 5 В. Уровни мощности задаются с помощью последовательного интерфейса с трёхвыводным стандартным соединителем, датчики подключаются к энергособирателю проводным способом через соединитель, поэтому расстояние между ними ограничено. Поскольку сенсорные узлы независимы от внешней, например, настенной электропроводки, их можно считать беспроводными (рис. 1.14 б). PMG FSH крепится магнитом или резьбовым способом.

Рис. 1.14 – Микрогенераторы Perpetum для промышленных применений: а) автономный энергособиратель PMG FSH; б) реализация машинных сенсорных узлов с автономным питанием

22

Для железнодорожных приложений используется PMG Rail, который генерирует 10…15 мВт в течение продолжительной поездки с частотами 30…60 Гц и диапазоном температур –40…85°C. Выходы системы программируются в диапазоне 3…10 В. PMG Rail используется в системах мониторинга подшипников, системах слежения за состоянием подвижных составов.

Энергособиратель Ferro Solutions Energy Harvesters (FSEH)

представляет собой автономный источник питания, который генерирует электричество от вибрации и предназначен для питания силовых беспроводных трансиверов, датчиков, микродвигателей и приводов. FSEH может замещать батареи для непрерывной работы, снижая стоимость

Электромеханические энергособиратели основаны на оригинальном дизайне магнита и обмотки, взаимодействие которых позволяет улавливать вибрацию. Предназначены для питания отопительного оборудования, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, насосов, бойлеров, железнодорожного транспорта, реактивных двигателей. В первую очередь, вибрационные энергособиратели интересны для питания датчиков вибрации, а также для датчиков, находящихся в вибрационном окружении. Проще собирать энергию высокочастотной вибрации, но в природе и технике преобладают низкочастотные вибрации. Если вибраций мало или они отсутствуют, то другими источниками энергии являются свет, тепло или радиочастотная энергия, которые могут подключаться к механическому устройству.

Энергособиратели ME-типа конфигурируются для использования в окружении с вибрациями и электромагнитными полями. Комбинирование пьезоэлектрических материалов с магнитными позволяет этим устройствам вырабатывать большую мощность. Данная технология подходит для в ВЧокружения и переменных магнитных полей, а также для интеграции в оборудование с подвижными магнитами. Технология ME VEH хорошо подходит для бесконтактного удалённого заряда (беспроводной передачи мощности). Находит применение во вращательных машинных системах и медицинских устройствах. В отличие от энергособирателей с проводным выводом мощности она пригодна для питания сенсорных узлов. FS Energy Harvester используется как удалённый независимый источник питания, который непрерывно поставляет энергию туда, где его можно легко установить.

Компания Ferro разработала также гибридную сенсорную технологию на основе пассивной магнитоупругой электроактивной технологии (Passive Magnetoelastic Electroactive, PME) для подводного использования.

Гибридный датчик, который поставляет данные от акустического и

23

магнитного датчиков, используется как магнитометр, представляет собой пример комбинирования пьезоэлектрических материалов с магнитными и их сенсорного слияния. В этих системах чувствительность приближена к магнитометрам SQUID-типа, но с меньшим потреблением мощности и в меньшем корпусе.

Существуют системы, где используется несколько источников энергии. Так, компания Midé, например, не только выпускает собиратели вибрационной энергии (Volture Vibration Energy Harvester), но и комбинирует их с собирателями солнечной энергии (Volture Solar Energy Harvester). Вибрационный энергособиратель Midé основан на технологии пьезоэлектрического преобразования QuickPack. Преобразователь изготовлен из пьезоэлектрических материалов с электрическими выводами, защищёнными и изолированными при производстве. Гибридный энергособиратель SEH20w (SEH25w) включает солнечную панель, установленную в корпус Volture, которая работает со стандартной электроникой.

1.4Применение емкостных накопителей энергии

1.4.1Общие сведения. Емкостные накопители энергии (ЕНЭ) широко

используются в физических экспериментах благодаря ряду достоинств: малому внутреннему сопротивлению (менее 10– 3 Ом); малой индуктивности (до 10– 9 Гн). Это позволяет обеспечить малое время разряда (10–4…10–8 с), эффективную

передачу энергии в нагрузку, возможность достижения рекордных значений мощности (до 1013 Вт) и скорости нарастания тока (1013 А/с). Кроме того, ЕНЭ обладают рядом эксплуатационных удобств: отсутствием движущихся элементов, простотой обслуживания, модульным принципом исполнения, позволяющим отключать и легко заменять элементы при случайных

повреждениях. Недостатком ЕНЭ является низкая плотность энергии (0,1…0,5 МДж/м3) по сравнению с другими типами накопителей среднее значение

сооружения, занимающие целые залы и даже здания. ЕНЭ классифицируются по следующим признакам:

по зарядному напряжению: низкого напряжения (10 кВ), среднего напряжения (10…100кВ), высокого напряжения (свыше 100 кВ);

по запасаемой энергии: малой (до 100 кДж), средней (до 1000 кДж), большой (свыше 1000 кДж);

по длительности импульса тока: миллисекундного диапазона, микросекундного и наносекундного.

Кроме того, ЕНЭ следует различать по типу конструкции и способов соединения элементов. Традиционной является конструкция ЕНЭ в виде однотипных конденсаторов, соединенных при разряде параллельно (генератор импульсных токов) или последовательно (генератор импульсных напряжений).

24

В таких генераторах конденсаторы представляют собой отрезки полосковых линий с выводом через индуктивности [4]. При этом даже в режиме короткого замыкания выполняется следующее условие:

постоянной ε вдоль фольги секций (обкладок) конденсатора.

Условие (1) означает, что режим разряда квазистационарный. Это позволяет считать конденсатор сосредоточенным элементом цепи с индуктивностью LC, емкостью С и сопротивлением RC.

Впоследние годы все большее развитие получают накопители в виде

формирующих линий. Это, как правило, многокаскадные емкостные накопители высокого напряжения (105…106 В), работающие в наносекундном диапазоне времени. Главная особенность которых состоит в том, что энергия в последних каскадах запасается в электрическом поле полосковых или коаксиальных линиях.

Врежиме короткого замыкания разряд линии происходит в волновом режиме, если выполнено условие, обратное (1.1):

где l0 длина линии; L' удельная индуктивность;

LB – индуктивность вывода линии.

В рабочем режиме кроме LB следует учитывать индуктивность нагрузки

LH . Поэтому в цепи с малым сопротивлением линия может разряжаться либо как обычный конденсатор (если не выполнено условие (1.2) и (1.3), где вместо

LB фигурирует LB LH , либо в волновом режиме, если при замене LB на

LB LH выполнены условия (1.2) и (1.3). Активное сопротивление,

включенное последовательно с LH , приближает разряд к волновому.

В качестве примера рассмотрим ЕНЭ конденсаторного типа, выполненные по схеме параллельного соединения конденсаторов (генераторы импульсных токов – ГИТ). На рис. 1.15 приведена структурная схема генератора импульсных токов, где ЗУ – зарядное устройство; КБ – конденсаторная батарея; СК – система коммутации; К – коллектор; УБС –

25

устройство управления, блокировки и синхронизации; Н – нагрузка, СЭ – соединительные элементы.

Рис. 1.15 Структурная схема генератора импульсных токов

Энергия запасается в конденсаторной батарее КБ, которая заряжается до заданного напряжения с помощью зарядного устройства ЗУ и разряжается на нагрузку через систему коммутации СК, состоящую из коммутаторов и устройств управления ими. Ток от конденсаторов к разряднику и далее к нагрузке подводится с помощью соединительных элементов СЭ (кабелей или листовых шин).

Как правило, накопители с энергией 105 Дж и выше создают в виде однотипных модулей, состоящих из отдельных конденсаторов или групп конденсаторов с общим коммутатором. Энергия, запасаемая в одном модуле, ограничена значением, не приводящим к взрыву при пробое одного из конденсаторов и разряда на него всех конденсаторов модуля. Обычно она не превышает 10…50 кДж и лишь при использовании специальных мер защиты может быть увеличена до 100…200 кДж.

Каждый модуль может быть независимо подключен к нагрузке. Если цепи разряда отдельных модулей электрически не связаны (например, при питании устройств для накачки лазеров), то ГИТ представляет собой совокупность независимых элементов, включенных одновременно или со сдвигом во времени. Более типичны накопители, в которых ток от всех модулей должен быть передан в общую нагрузку, при этом используется дополнительная сборная шина К, к которой подводится ток от модулей и присоединяется к нагрузке Н. Обязательным элементом накопителей являются УБС, обеспечивающие нормальную и безопасную работу.

В последние десятилетия интенсивное развитие получили установки на основе ЕНЭ предельно высокой мощности для проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием. За рубежом и в нашей стране построены такие крупные многомодульные установки, как «PBFA-2», (после первой модификации «PBFA-Z», а по завершению проводимых в настоящее время работ – установка «ZR»), «Ангара- 5», «Стенд-300», «ГИТ-16» и другие. Наиболее крупная установка «ZR» обеспечивает получение импульсов с мощностью свыше 60 ТВт и длительностью около 100 нс. На рис. 1.16 представлена наиболее крупная

26

отечественная установка «Ангара-5», на которой с середины 80-х годов успешно ведутся исследования по физике горячей плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Установка состоит из восьми модулей и обеспечивает получение на общей нагрузке импульсов с амплитудой напряжения 2 МВ и амплитудой тока короткого замыкания около 7 МА при длительности импульсов около 100 нс [5].

Рис. 1.16 Установка «Ангара-5»

Среди накопителей энергии, предполагаемых для использования в отрасли возобновляемой энергетики, особый интерес представляют конденсаторные (емкостные) накопители в виде суперконденсаторов.

1.4.2 Накопители в виде суперконденсаторов. Электрохимические конденсаторы, накапливающие заряд на двойном электрическом слое или суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов уровнем электрической емкости: максимальная емкость обычных конденсаторов составляет сотни микрофарад, а максимальная емкость суперконденсаторов достигает тысяч фарад, те есть на шесть порядков больше.

В 1879 году Г.Гельмгольц [6] открыл ранее неизвестное явление – возникновение электрических слоев в материалах с разным типом проводимости при их взаимном контакте. Это явление имеет фундаментальный характер, способствуя установлению равновесного состояния в системе, состоящей из материалов с ионной и электронной проводимостью путем переноса заряда в межмолекулярном пространстве. Электрические слои Гельмгольца представляют собой области локализации зарядов, находящиеся на расстоянии 1…5 ангстрем друг от друга и допускающие подключение

27

нагрузок в виде внешних источников заряда, лимитированные напряжением декомпозиции электролита (материала с ионной проводимостью). Поскольку электрические слои Гельмгольца образуются при контакте твердого вещества с жидкостью, очевидно, что в качестве твердого вещества можно использовать высокодисперсные материалы. В этом случае можно получить очень высокие значения площади поверхности контакта, а значит и площади поверхности двойного электрического слоя. Таким образом, если электрические слои Гельмгольца интерпретировать как обкладки плоского конденсатора, можно получить конденсатор с уникальными свойствами накопления энергии или

где ε – относительная диэлектрическая постоянная среды, ε = 0,99 …

3,35;

ε0 – диэлектрическая постоянная вакуума, ε0 = 8,86 · 10-12 [Ф/м];

d – расстояние между электрическими слоями, соответствует дебаевской длине свободного пробега электронов и составляет d = (1… 5) 10-10 [м];

Sдс – площадь поверхности двойного электрического слоя, предельное теоретическое значение которой составляет Sдс = 2600 [м2] на грамм пористого материала [7].

Таким образом, суперконденсаторы обладают следующими характеристиками [8]:

плотность электрической емкости до 260 Ф/г;

плотность электрической энергии до 50 Дж/см3;

внутреннее сопротивление до 0,0001 Ом;

время заряда и разряда в диапазоне 0,025…5,0 сек.;

малый ток утечки и возможность хранения заряда в течение сотен часов.

Такие характеристики выделили суперконденсаторы в особую группу

устройств хранения энергии, занимающую нишу между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями, что иллюстрирует диаграмма Рагона (рис. 1.17) [9].

На пути реализации идеи использования двойного электрического слоя в качестве технического устройства – суперконденсатора – возникла весьма сложная проблема токосъёма с обоих электрических слоёв. Если токосъём с одного из контактирующих материалов – активированного угля организовать сравнительно просто использованием металлических токосъёмников, имеющих близкую к углю электропроводность, то токосъём с электрического слоя, образующегося в жидкости, весьма проблематичен, поскольку практически невозможно подобрать материал токосъёмника, обладающего такой же проводимостью, что и жидкость. В противном случае на границе жидкости и токосъемника образуется еще один двойной электрический слой или еще один конденсатор, характеристики которого сведут на нет все преимущества суперконденсатора.

28

Рисунок 1.17 Диаграмма Рагона для устройств генерации и накопления энергии

Для решения этой проблемы в суперконденсаторах вообще не используется токосъём с жидкости. Для этого используется система из двух пар контактирующих материалов, разделенных ионопроводящим сепаратором. В этой системе (рис. 1.18) образуются два последовательно соединенных суперконденсатора, одна из обкладок каждого из которых, соответствующая

Рисунок 1.18 Принципиальная схема суперконденсатора

электрическому слою, образующемуся в жидкости, является с технической точки зрения виртуальной, а токосъём осуществляется с электрических слоёв, образующихся в пористом электроде. Разнополярность обкладок в системе из двух суперконденсаторов образуется за счет ионопроводящего сепаратора.

Таким образом, техническая реализация суперконденсатора представляет собой элементарную ячейку (элементарный суперконденсатор), состоящую из

29

двух последовательно соединенных суперконденсаторов, причем соединение происходит по электрическим слоям в электролите, а заряд снимается с электрических слоев в углеродном пористом материале. Последовательное соединение суперконденсаторов реализуется путем использования общего электролита, разделенного сепаратором, фактически являющимся баллоном для электролита. Именно поэтому допустимое рабочее напряжение элементарного суперконденсатора равно напряжению разложения электролита, а не двойному рабочему напряжению двойного электрического слоя, что соответствовало бы последовательному соединению двух суперконденсаторов [10].

В качестве высокодисперсного материала в суперконденсаторах безальтернативно используется активированный уголь с размерами частиц 1…50 мкм, размерами активных пор 0,7…16 нм и удельной поверхностью до 2500 м2/г. Кроме этих уникальных свойств активированный уголь еще и очень дешев, что практически лишает его всяких конкурентов. В качестве электролита в промышленно производимых суперконденсаторах используют водные растворы щелочи с напряжением разложения 1,23 вольта и весьма токсичные органические электролиты на основе ацетонитрила с напряжением разложения до 2,7 вольт. В отделении нанотехнологий и информационных технологий РАН разработан и проходят опытную эксплуатацию суперконденсаторы с нетоксичным органическим электролитом на основе ионной жидкости с напряжением разложения 3,5 вольт [11]. В качестве сепараторов в настоящее время используется асбестовая бумага, полностью соответствующая предъявляемым требования по электрическим, механическим, эксплуатационным и стоимостным характеристикам. Однако, в связи с нормативами Европейского сообщества, запрещающими использование асбеста, в ОИВТ РАН совместно с японской фирмой Teijin Twaron разработаны и проходят опытную эксплуатацию суперконденсаторы с новыми сепараторами из ароматического полиамида Twaron [12].

На рис. 1.19 представлена схема элементарного суперконденсатора, являющегося основой для создания технических устройств различного назначения.

Элементарный суперконденсатор состоит из двух электродов, разделенных пропитанным электролитом сепаратором и двух токовых коллекторов. Электрод состоит из слоя пластифицированного активированного угля на подложке из материала, аналогичного материалу сепаратора. Толщина слоя активированного угля с удельной поверхностью 1200 м2/гр варьируется в пределах 0,1…5,0 мм. Размеры частиц активированного угля находятся в пределах 1…50 мкм, размеры активных пор – 0,7…10 нм. Токосъемник – металлическая фольга толщиной до 50 мкм. Поскольку для технических применений необходимы суперконденсаторы с напряжениями до 1000 вольт, то для их построения на основе элементарных суперконденсаторов в настоящее время используются две основные технологии: наборная и намоточная (рис. 1.20).

30