Из микропористого графита, 2 электролит

АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электроэнергия может аккумулироваться

1. в конденсаторах (в виде энергии электрического поля),

2. в катушках индуктивности (в виде энергии магнитного поля),

3. в первичных и вторичных гальванических элементах (в виде химической энергии).

Принцип устройства простейшего конденсатора представлен на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства плоского конденсатора.

Обкладки, 2 диэлектрик

Емкость такого конденсатора определяется известной формулой

емкость, ; А площадь обкладки, m²; d толщина диэлектрика, m;

e диэлектрическая проницаемость диэлектрика, .

Энергия, запасенная в конденсаторе, определяется формулой

W –запасенная энергия, J; С – емкость конденсатора, F; U – напряжение, приложенное к конденсатору, V.

Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая способность находится приблизительно в пределах от 0,1 J / kg до 1 J / kg или от 0,03 mW·h / kg до 0,3 mW·h / kg. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как емкостные сопротивления.

Более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических конденсаторах, принцип устройства которых изображен на рис. 2.

Рис. 2. Принцип устройства электролитического конденсатора.

Металлический лист или фольга (алюминий, тантал или др.),

2 диэлектрик из окиси металла (Al₂0₃, Та₂0₅ или др.), З бумага и т. п.,

пропитанная электролитом (Н₃В0₃, H₂S0₄, Mn0₂ или др.) и глицерином

Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 µm, то эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 F), но на относительно малое напряжение.

Еще большую емкость могут иметь ультраконденсаторы (суперконденсаторы, ионисторы), обкладками которых служит двойной электрический слой толщиной в несколько десятых долей нанометра на границе раздела электрода, изготовленного из микропористого графита, и электролита (рис. 3).

Рис. 3. Принцип устройства ультраконденсатора. 1 электроды

из микропористого графита, 2 электролит

Эффективная площадь обкладок таких конденсаторов достигает, благодаря пористости, до 10000 m² на каждый грамм массы электродов, что позволяет достигать очень большой емкости при очень малых размерах конденсатора. В настоящее время ультраконденсаторы выпускаются емкостью до 3 kF. Их удельная аккумулирующая способность находится обычно в пределах от до и имеются опытные образцы с удельной аккумулирующей способностью до .

Технология изготовления ультраконденсаторов весьма сложна, и стоимость на единицу сохраняемой в них энергии, поэтому, намного выше, чем у других конденсаторов, доходя до 50000 € / kW·h. Несмотря на это, благодаря простоте конструкции, малым размерам, надежности, высокому кпд (95 % и более) и долговечности (несколько миллионов циклов заряда-разряда), они стали применяться как в транспортных средствах, так и в промышленных силовых установках взамен электрохимических аккумуляторов и других средств аккумулирования энергии. Особо выгодны они тогда, когда энергия потребляется в виде коротких импульсов (например, для питания стартера двигателей внутреннего сгорания) или, когда требуется быстрая (секундная) зарядка аккумулирующего устройства.

В катушке индуктивности энергия аккумулируется в виде магнитного поля, когда через катушку протекает постоянный ток. При подключении к катушке цепей потребления электроэнергии и одновременном снижении или прекращении тока возбуждения магнитного поля в этих цепях возникает ток и выделяется энергия. На рис. 4,а представлен случай, когда к катушке индуктивности подключается электроприемник и одновременно отключается питание катушки от источника постоянного тока. Такая операция, в частности, используется для гашения магнитного поля при отключении обмоток возбуждения электрических машин, чтобы в переходном процессе не возникали опасные перенапряжения. На рис. 4,б представлена передача энергии, аккумулированной в магнитном поле катушки индуктивности, в цепь электроприемника через вторичную обмотку катушки при отключении катушки от источника питания. Во вторичной цепи электрическая энергия может преобразоваться в другие виды энергии (например, в тепло или в механическую энергию).

Рис. 4. Использование энергии, аккумулированной в катушке индуктивности,