687_Sazhnev_A.M._Sistemy_ehlektropitanija_

Рисунок 1.19 Схема элементарного суперконденсатора

Рисунок 1.20 Технологии изготовления суперконденсаторов

Наборная технология предусматривает создание суперконденсатора с необходимыми характеристиками (напряжение и мощность) в едином модуле путем набора из необходимого количества последовательно-параллельно соединенных элементарных ячеек. Эта технология разработана впервые в мире

31

в России в семидесятых годах прошлого века [13]. Намоточная технология разработана в тридцатых годах прошлого века фирмой Maxwell (США) для обычных конденсаторов и в девяностых годах прошлого века была применена для создания суперконденсатора [14]. При этом базовым изделием является элементарный суперконденсатор с напряжением порядка трех вольт, а необходимое заказчику напряжение, например, 300 В обеспечивается использованием ста элементарных суперконденсаторов, коммутируемых с учётом балансировки разброса их характеристик. Эта технология нашла широкое распространение несмотря на то, что намоточные суперконденсаторы не соответствуют экологическим нормам в связи с использованием высокотоксичного органического электролита. Кроме того, суперконденсаторы наборной и намоточной технологий в основном применяются в разных областях техники: суперконденсаторы наборной технологии используется в основном для создания мощных высоковольтных систем, которые и определяют будущее использования суперконденсаторов. Поэтому перспективными являются суперконденсаторы наборной технологии.

Принцип построения наборных суперконденсаторов состоит в соединении в едином герметичном корпусе элементарных суперконденсаторов для достижения заданных рабочего напряжения, электрической емкости (запасенной энергии) и мощности. Пакет последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов (рис. 1.21 и 1.22) тщательно герметизируется и изолируется от корпуса. Силовой корпус обеспечивает предварительное сжатие пакета [15].

Рисунок 1.21 Схема конструкции наборного суперконденсатора

32

Рисунок 1.22 Схема внутренней коммутации наборного суперконденсатора

Следует отметить, что производимые в настоящее время наборные суперконденсаторы на водных электролита с удельной запасенной энергией до 2,5 кДж/кг и удельной мощностью до 5,0 кВт/кг полностью соответствуют их применениям в качестве источников импульсной мощности. На рис. 1.23 приведен общий вид конструктивного решения наборного суперконденсатора ЗАО НПО «ТехноКор».

Рисунок 1.23 Наборный суперконденсатор

НПО «ТехноКор» производит наборные суперконденсаторы с номинальным напряжением от 12 до 420 В, емкостью от 0,1 до 500 фарад, запасенной энергией от 5 до 150 кДж, мощностью импульсного разряда до 100 кВт при токе разряда до 5000 А. и сохраняющими свои характеристики при практически неограниченным количестве циклов заряд-разряд. Эти наборные суперконденсаторы работают в температурном диапазоне – 45 + 60 0С, устойчивы к воздействию токов короткого замыкания, кратковременных перенапряжений и напряжений обратной полярности, пожаро- и

33

взрывобезопасны, обладают необходимой вибро- и ударопрочностью, не требуют технического обслуживания во время всего срока эксплуатации. Номенклатура наборных суперконденсаторов «ТехноКор» приведена в таблице

1.8 [16].

Основным направлением для повышения удельных энергетических характеристик наборных суперконденсаторов является замена водного электролита на органический, а также оптимизация характеристик пор активной массы: структуры пористости и химии поверхности углеродного пористого материала [17].

В настоящее время в мировой практике широко распространен органический электролит на основе ацетонитрила. Однако, поскольку это высокотоксичный взрыво- и пожароопасный материал, в работе ОИВТ РАН по принципиальным и прагматическим соображениям он не рассматривается в качестве перспективного электролита. Задачей проведенных исследований была разработка нового нетоксичного электролита с рабочим напряжением не менее 3,5 вольт и приемлемыми эксплуатационными характеристиками. Альтернативой электролиту на основе ацетонитрила является экологически чистый органический электролит на основе ионной жидкости. Для достижения максимальных значений электроэнергетических характеристик суперконденсаторов, а именно запасенной энергии и мощности, к электролитам предъявляется ряд требований:

34

максимально достижимое напряжение декомпозиции;

максимально достижимая электрическая проводимость;

температурный диапазон - 40 …+50 0С;

экологические требования – отсутствие токсичности, взрывопожароопасности и влияния на экосферу;

диапазон высот применения до 5 км и т. д.

Исходя из этих требований, наиболее перспективными для использования в суперконденсаторах нового поколения являются ионные жидкости (ИЖ). Ионные жидкости – это органические соли, жидкие при комнатной или близкой к ней температуре. Они состоят из объемистого органического катиона и неорганического или органического аниона. Повышенное внимание к ИЖ обусловлено наличием у них таких свойств, как широкий интервал жидкого состояния (свыше 300 оС), некоторые ИЖ характеризуются высокой ионной проводимостью [свыше 10-4 (Ом·см)-1] и широким электрохимическим окном стабильности (свыше 4 В), что делает их особенно привлекательными для использования в электрохимических процессах. Особенностью ионных жидкостей является то, что их физико-химические свойства могут быть управляемы, путем изменением их структуры (изменение структур катиона и аниона). После проведенных исследований значительного числа органических электролитов в качестве перспективного электролита была выбрана ионная жидкость BMImi BF4 (таблица 1.9) [18, 19].

Следует подчеркнуть, что в таблице 1.9 приведены характеристики

Таблица 1.9 Ионная жидкость 1-метил-3-бутил имидазолий тетрафторборат

ионной жидкости, синтезированной в лаборатории профессора Я.С. Выгодского из Института элементоорганических соединений РАН, где были разработаны оригинальные методы синтеза и получены необходимые количества этих веществ [20]. Необходимость в получении лабораторных образцов связана с тем, что настоящая работа ориентирована на последующее промышленное производство сравнительно дешевого электролита. И в этом случае было необходимо изучить характеристики ионных жидкостей различной степени чистоты, получающихся при различных алгоритмах синтеза, которые определяют степень сложности процесса синтеза и, в конечном счете, стоимость полученных веществ.

На основании проведенных исследований была разработана конструкция наборного суперконденсатора с электролитом на основе ионной жидкости и

35

доработана технология изготовления наборных суперконденсаторов, с учетом особенностей и электрохимических характеристик ионных жидкостей. В результате был изготовлен промышленный образец с ионной жидкостью, содержащий 18 элементарных суперконденсаторов с максимальным напряжением 3,5 вольт и номинальным напряжением 3,0 вольта. Для проведения сравнительных исследований [21] в тех же габаритах был изготовлен также промышленный образец суперконденсатора с водным электролитом, также содержащий 18 элементарных суперконденсаторов с максимальным напряжением 1,2 вольта и номинальным напряжением 0,85 вольт. Характеристики пакетов наборных суперконденсаторов приведены в таблице 1.10.

Таблица 1.10 Характеристики пакетов наборных суперконденсаторов

На рис. 1.24 для примера приведены некоторые кривые заряда до напряжения 13, 17 и 20 вольт с последующим разрядом суперконденсатора с водным электролитом и кривые заряда до напряжения 30, 45 и 50 вольт с последующим разрядом суперконденсатора с ионной жидкостью.

Рисунок 1.24 Кривые заряда-разряда промышленных образцов наборных суперконденсаторов

36

Результаты обработки заряд-разрядных кривых даны в таблице 1.11, где приведены основные энергетические характеристики опытных образцов наборных суперконденсаторов с водным и органическим электролитом.

Таблица 1.11 Основные энергетические характеристики опытных образцов наборных суперконденсаторов с водным и органическим электролитом

Сравнение характеристик макетных образцов наборных суперконденсаторов с водным и органическим электролитом на основе ионной жидкости 1-Ме 3 Вu Im B F4 показывает, что:

обосновано и экспериментально подтверждено использование нетоксичного органического электролита на основе чистой ионной жидкости для использования в наноструктурированных наборных суперконденсаторах;

разработан и изготовлен опытный промышленный образец наноструктурированного наборного суперконденсатора с нетоксичным органическим электролитом на основе чистой ионной жидкости;

удельная запасенная энергия такого суперконденсатора более, чем в 10 раз выше аналогичного параметра существующих наборных суперконденсаторов с электролитом на основе водного раствора гидроксида калия;

батарея из разработанных суперконденсаторов для системы накопления энергии гибридного автобуса весит в 3 раза меньше, чем аналогичная батарея из существующих наборных суперконденсаторов;

разработанный суперконденсатор будет положен в основу разработки модельного ряда наноструктурированных наборных суперконденсаторов нового поколения.

37

1.4.3 Применения суперконденсаторов в энергоустановках. Все известные потребители энергии работают в двух основных режимах – стационарном, при котором уровень потребления энергии практически не изменяется, и переходном, при котором происходит резкое изменение потребления энергии как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. При проектировании энергоустановок исходят из обеспечения максимального, пикового потребления энергии, характерного для переходного режима, что приводит к потенциальной избыточности источника и, как следствие, к увеличению расхода потребляемого топлива, снижению экологичности и другим негативным последствиям. Кардинальным методом решения проблемы потенциальной избыточности источника представляется создание комбинированной энергоустановки (КЭУ) физически или функционально состоящей из источника энергии и источника мощности [22]. В КЭУ (Рис.1.25) источник энергии, обеспечивающий стационарный режим работы потребителя, может иметь существенно меньшую энергоемкость, а источник мощности, обеспечивающий переходный режим, будет работать существенно меньшее время.

а)

б)

Рисунок 1.25 Виды энергетических установок: а – традиционная, б – комбинированная

КЭУ обладает несомненными преимуществами перед традиционным как по эксплуатационным характеристикам, так и по экономическим и экологическим показателям. Возможность реализации КЭУ с физически разделенными источниками энергии и мощности возникла с появлением

38

суперконденсаторов, явившихся теми необходимыми источниками мощности, которые могут обеспечить работу потребителя в переходном режиме максимальных нагрузок. При использовании суперконденсаторов на транспорте в качестве источников мощности появляется дополнительная возможность рекуперации энергии торможения. При этом на основе суперконденсаторов строится система накопления энергии, которая в определенное время является дополнительным источником энергии. Таким образом, комбинированная энергетическая установка становиться системой из двух источников, в которых используются физически разнесенные источник энергии и источник мощности. При этом источник энергии (основной источник энергетической установки) – двигатель внутреннего сгорания, стационарное электропитание, аккумуляторная батарея или батарея топливных элементов, обеспечивает работу системы в стационарном режиме работы, а источник мощности (дополнительный источник энергетической установки) – система накопления энергии на базе суперконденсаторов – обеспечивает работу системы в переходных режимах.

На рис. 1.26 приведены типы комбинированных энергоустановок, в которых реализуются энергосберегающие технологии с использованием систем накопления энергии.

Рисунок 1.26 Типы энергосберегающих энергетических установок

При этом в транспортных энергетических установках, включая лифтовые системы, энергосбережение обеспечивается за счет рекуперации до 25% затраченной энергии при торможении транспортного средства или обратном движении лифта. Кроме того, в таких энергетических установках возможно ресурсосбережение за счет уменьшения мощности основного источника энергии и работы его только в стационарном режиме, поскольку пиковые нагрузки компенсируются дополнительным источником мощности.

39

Использование комбинированных энергоустановок автомобильного транспорта, которые обеспечивают трогание с места не с помощью обычно используемого форсированного режима работы двигателя внутреннего сгорания, а использованием энергии экологически чистых суперконденсаторов, позволяют более чем в 10 раз снизить количество вредных выбросов. Кроме того, возможность использования в гибридных двигательных установках двигателей внутреннего сгорания меньшей мощности позволяет более чем в два раза снизить расход топлива.

В комбинированных энергоустановках для пуска дизелей транспортных средств и обеспечения аварийного включения масляных выключателей тяговых подстанций применение суперконденсаторных систем накопления энергии дает возможность снизить установленную мощность аккумуляторных батарей (АБ) приблизительно в два раза с 450 до 250 А·ч, увеличить срок службы АБ в 1,5…2 раза; экономить приблизительно 16 тонн топлива в год за счет сокращения времени работы дизеля на холостом ходу.

Использование суперконденсаторных систем накопления энергии для обеспечения комфортного электропитания потребителей путем компенсации провалов напряжения позволяет экономить значительные материальные ресурсы. Так, например, в США среднее промышленное предприятие имеет около 66 провалов напряжения глубиной в 10% от номинала и длительностью 0,1 сек. Последствия одного такого провала оценивается в 20000 долларов США для энергосистем мощностью 500квт. Таким образом, годовая экономия от использования систем комфортного электропитания составляет более одного миллиона долларов только для одного предприятия.

Особенно перспективным представляется использование суперконденсаторов в возобновляемых системах получения электроэнергии на базе водородных топливных элементов и металловоздушных батарей в качестве практически безальтернативного буферного устройства, обеспечивающего пиковые нагрузки потребителей.

Рассмотрим функциональную схему комбинированной энергоустановки

управления (рис. 1.27). Двигательная установка представляет собой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), чаще всего дизельного типа, или газовую турбину, обладающую более высокой эффективностью и низким уровнем

специальным алгоритмам под контролем системы управления. Система накопления энергии, построенная на базе суперконденсаторов, включает в себя устройства, необходимые для реализации циклов накопления энергии от генератора и от электромотора в режиме рекуперации, и отдачи энергии в момент трогания или разгона. Система управления и диагностики предназначена для реализации управляющих воздействий водителя,

40