Superkondensaator: erinevus redaktsioonide vahel

Eemaldatud sisu Lisatud sisu
Suwa (arutelu | kaastöö)
Suwa (arutelu | kaastöö)
PResümee puudub
1. rida:
{{ToimetaAeg|kuu=aprill|aasta=2007}}
{{vikinda}}
====Superkondensaatori olemus====
'''Superkondensaator''' ehk ülikondensaator on elektrienergiasalvestamise seade, milles energia on salvestatud süsinikelektroodide pinnale elektrostaatiliselt.
 
'''Superkondensaator''' ehk '''ülikondensaator''' on elektrienergiasalvestamise seade, milles energia on salvestatud süsinikelektroodide pinnale elektrostaatiliselt.
====Ajalugu====
 
==== Ajalugu== ==
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 [http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=2800616.PN.&OS=PN/2800616&RS=PN/2800616]. Sarnaselt tänapäevaga püüti selliseid suure mahtuvusega süsteeme kasutada esmalt elektriautodel.
 
Ka [[Eesti]]s käib viljakas arendustöö superkondensaatorite vallas. Tartus paiknev väikeettevõte [[Carbon Nanotech OÜ]] [http://www.carbon.ee](endine Tartu Tehnoloogiad) [http://www.skeletonnanolab.com] tegeleb nanostruktuurse süsiniku uurimisega ning superkondensaatorite arendustegevuse ja katsetootmisega.
 
==== 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. Võrdlusena parimate elektrolüütkondensaatorite eriemahtuvus on ~10 mikrofaradit kuupsentimeetrile.
Superkondensaatori mahtuvus matemaatiliselt väljendub on sarnaselt tavakondensaatri mahtuvusega valemiga:
24. rida:
<math>E=\frac{1}{2}C\cdot U_{}^2 </math>,
 
==== 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.
 
32. rida:
* 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!
 
=== 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.
[[Pilt:konde.jpg]]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.
 
=== 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.{{lisa viide}} Mitmed tootjad ([http://www.maxwell.com Maxwell], [http://www.nesscap.com NESS], [http://www.epcos.com 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.
53. rida:
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.
 
=== Kirjandus= ==
 
1. B.E.Conway, “Electrochemical Supercapacitors. Scientific Fundamentals and Technological Applications”. Kluwer Academic Publish-
62. rida:
[[Kategooria:Elektroonika]]
 
<!-- interwiki -->
[[bg:Суперкондензатор]]
[[ca:Supercondensador]]