Конденсаторы большой емкости в качестве аккумуляторов

ИОНИСТОР ВМЕСТО АККУМУЛЯТОРА

Предлагаем неплохой вариант конструкции вечного перезаряжаемого аккумулятора, снабженной регулятором выходного напряжения. Вся схема основана на суперконденсаторах (ионисторах).

Хотя стоимость создания такой батареи довольно значительна, вложения быстро окупятся, если рассчитать затраты сэкономленные на покупке батареек для различных типов устройств. Кроме того, такую батарею можно заряжать разными способами (например от сетевого источника питания или от солнечных элементов), и время зарядки во многих случаях составляет всего несколько минут. Аккумулятор также можно использовать в «аварийных» ситуациях, например, для зарядки мобильного телефона на улице или для резервного питания освещения.

В представленной конструкции можно выбрать любое выходное напряжение в диапазоне от 3 до 33 В благодаря использованию преобразователя постоянного тока.

Схема аккумулятора на ионисторе

Схема основана на суперконденсаторах, емкость которых во много тысяч раз превышает обычные электролитические конденсаторы (1-3000 фарад), что делает их хорошими накопителями тока. В данном варианте использовались 2 конденсатора по 400 фарад, соединенных последовательно, что дает напряжение 5,4 В для питания преобразователя постоянного тока. Также схема оснащена зарядным модулем и цифровым вольтметром — индикатором напряжения на выходе.

Суперконденсаторы имеют множество преимуществ, они могут заряжаться и разряжаться даже миллион раз, они имеют чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR для суперконденсатора составляет в среднем 0,01 Ом, для батарей — от 0,02 до 0,2 Ома), что позволяет быстро заряжать и разряжать конденсатор. Заряженные конденсаторы не теряют накопленный заряд во время хранения, как в случае с батареями. Кроме того, они намного безопаснее для окружающей среды.

Конечно ионисторы также имеют несколько недостатков — они достаточно большие по размеру, работают при низком напряжении, поэтому требуется последовательное соединение. Кроме того, любые короткие замыкания являются чрезвычайно опасными для них.

Схема зарядки суперконденсаторов в данном случае очень проста и построена на основе LM317. Резисторы ограничивают выходное напряжение до 1,25 В. В качестве ограничителя напряжения использовались резисторы 2,2 Ом / 5 Вт, чтобы избежать возможности перегорания LM317. Ограничитель тока можно отключить с помощью перемычки. Защитой от обратного напряжения с заряженных конденсаторов являются два параллельных диода 1N4001.

В батарее конденсаторов работают два элемента, каждый емкостью 400 фарад и напряжением 2,7 В, соединенных последовательно. Это обеспечивает максимальное напряжение 5,4 В и результирующую емкость 200 фарад. Для питания преобразователя постоянного тока требуется напряжение 3,4 В, поэтому данное решение является идеальным — даже если напряжение на конденсаторах упадет с 5,4 до 3,4 В — преобразователь будет работать без проблем. Для удобства использовалась кнопка, позволяющая переключать вольтметр между выходом источником питания преобразователя или проверка состояния заряда конденсаторов.

В качестве преобразователя постоянного тока служит готовое устройство с напряжением питания не менее 3,4 В и диапазоном выходных напряжений до 33 В. Используемый инвертор имеет очень маленький размер, позволяет выдавать максимальное значение тока до 3 А и непрерывный до 2 А. Используемый преобразователь имеет мощность 15 Вт и эффективность 90%.

По желанию можно использовать модульный индикатор напряжения или просто стрелочный вольтметр. В этом решении установлен вольтметр 0-20 В с LED дисплеем. Далее принципиальная схема всей батареи.

Из определения емкости конденсатора следует, что 200F / 5,5 В разряжаются на 1 В (до 4,5 В), давая ток 1 А в течение 200 секунд. Таким образом, в этом конкретном случае инвертор будет работать в течение 7 минут, потребляя 1 А от конденсаторов.

Возможные улучшения и изменения, которые могут быть сделаны при повторении, включают создание сборок конденсаторов с большей емкостью и разработку более совершенной схемы управления зарядкой наряду с дополнительными функциями безопасности.

Суперконденсаторы, подобно обычным конденсаторам, сохраняют заряд в несколько раз дольше, чем химические элементы питания. Они также не боятся подзарядки, зарядный ток ограничен только внутренним сопротивлением. В общем либо для нас важно количество циклов, либо плотность энергии.

Сегодня эти конденсаторы можно купить всего за пару долларов за штуку. Кроме того это идеальное решение, например, в качестве буфера у солнечных элементах или ветротурбине, или в качестве источника энергии для сварочного аппарата.

Суперконденсаторы не являются чем-то новым (они используются в автомобильной аудиотехнике в течение уже долгого времени), но процесс производства электродов постоянно совершенствуется. Поскольку они сделаны из углеродного аэрогеля, этот материал чрезвычайно пористый и большая поверхность такого электрода равно большая емкость.

Что касается промышленного применения ионисторов, к примеру есть отвертка с таким источником питания. Можно работать несколько минут на один заряд. Это имеет большое преимущество перед всеми перезаряжаемыми батареями, так как время зарядки всего 50 секунд. Технология называется Flashcell.

Параметры отвертки на ионисторе

Зарядное устройство:

• 220 В переменного тока.
• Выходное напряжение 4,6 В постоянного тока
• Потребляемая мощность 40 Вт, Ток 2,4 А
• Время зарядки примерно 50 с.

Отвертка:

• Напряжение 4,6 В
• Ионисторы 2,3 В, 300F (2 шт.)
• Крутящий момент 2,5 Нм
• Обороты 250 мин-1
• Вес 360 гр
• Размеры 53 x 185 x 145 мм
• Цена около 2000 рублей.

Отвертка с суперконденсаторами может быть интересной идеей для небольших работ которые делаем редко, например: вкручиваем крышку, вешаем картину, меняем батарейки в игрушках или приборах. Зарядка обычной отвертки, для того чтобы просто вкрутить 4 винта и отложить снова на месяц — не имеет смысла.

Форум по обсуждению материала ИОНИСТОР ВМЕСТО АККУМУЛЯТОРА

Электромагнитное реле — теория и практика применения. Обозначение, виды, основные параметры и правила эксплуатации.

Тонкомпенсированный регулятор громкости с адаптацией к регулятору тембра — теория и практика.

Умный аварийный резервный светодиодный источник света — простая схема автоматически включающейся LED подсветки.

Суперконденсатор

Научно-технический прогресс во всех сферах деятельности человечества всё более нуждается в резервных источниках электрической энергии. Современные аккумуляторы сложны в обслуживании и ограничены в объёме электрического заряда. Суперконденсатор (ионистор) – это мощный накопитель электричества, который в будущем заменит традиционные аккумуляторы.

Концепция

Конденсаторы большой ёмкости накапливают электрический заряд за счёт двойного электрического слоя. Двойной электрический слой (ДЭС) позволяет сохранять энергетический потенциал на несколько порядков выше, чем это может обычный конденсатор.

ДЭС – это прослойка между обкладками из ионов, покрывающая поверхность частиц на границе фаз. Заряд одного слоя ионов компенсируется потенциалом второго слоя противоионов. Толщина ДЭС ничтожно мала, в то же время площадь пористых обкладок огромна.

Ионистор использует ДЭС между углем и электролитом. Электрод – это твёрдый активированный уголь, а электролит представлен в жидкой форме. При плотном контакте этих двух сред положительные и отрицательные полюсы имеют между собой очень узкий зазор. При воздействии электрического поля образуется двойной электрический слой на граничащей с углём поверхности электролита.

Применение двойного электрического слоя вместо диэлектрика даёт возможность неограниченно увеличивать поверхность электрода. В результате небольшой суперконденсатор может обладать ёмкостью в несколько фарад при напряжении от 2 до 10 вольт.

Важно! Совершенствование ионистора приведёт к тому, что в большинстве случаев будут использовать суперконденсатор вместо аккумулятора.

История создания суперконденсатора

В 1957 году американской фирмой General Electric был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем и пористыми угольными электродами. Концепция патента заключалась в том, что накопление электрического потенциала происходило в угольных порах.

Однако уже в 1966 году фирма из штата Огайо SOHIO получила патент на ионистор, скапливающий заряд в двойном электрическом слое. В 1971 году фирма NEC, перекупившая патент у SOHIO, стала производить изделия под названием Суперконденсатор (Supercapacitor).

В 1978 году японский производитель радиотехники Panasonic заполнил рынок ионисторами под названием Золотой конденсатор (Gold capacitor). В этом же году в СССР были разработаны и изготовлены первые суперконденсаторы ёмкостью от 0,1 до 50 фарад.

Типы ионисторов

Суперконденсаторы делят на три типа:

1. «Идеальный» ионистор – конденсатор с идеально поляризуемыми угольными электродами. Заряд происходит за счёт ионного переноса с одного на другой электрод. В качестве электролита применяют 30% раствор гидрооксида калия (КОН) или 38% раствор серной кислоты (H2SO4).
2. Конденсаторы со слабо поляризуемыми катодами или анодами – гибридные ионисторы. Электрохимическая реакция происходит только на одном из электродов.
3. Псевдоконденсаторы – это ионисторы с электродами, на поверхности которых происходят обратимые электрохимические процессы. Изделия обладают высокой удельной ёмкостью.

Сравнение

Суперконденсаторы (СК) в основном используют тогда, когда нужно сохранить информацию в памяти различных устройств и кратковременно поддержать их питание. Ионисторы препятствуют потере данных и сбросу настроек в мобильных электронных аппаратах во время смены элементов питания (батарейки, аккумуляторные батареи).

Обратите внимание! Наряду с этим, нельзя полноценно использовать суперконденсатор вместо аккумулятора (АКБ). Если сравнивать ионистор с АКБ, то можно отметить определённые преимущества и недостатки СК.

Преимущества

• Зарядка и разрядка большого по силе тока;
• Устойчивость к потере качеств после 100 тыс. циклов заряда – разряда;
• Внутреннее сопротивление не позволяет возникать быстрому саморазряду, перегреву и разрушению СК;
• После 50 тыс. часов эксплуатации ионистор теряет незначительную часть ёмкости;
• Ионистор обладает незначительной массой, по сравнению с аналогичными электролитическими конденсаторами;
• Невосприимчивость к резким перепадам температуры окружающей среды;
• Стойкость к внешним механическим воздействиям.

Недостатки

• Высокий риск разрушения при коротком замыкании для СК большой ёмкости и низким внутренним сопротивлением;
• Низкое рабочее напряжение;
• Высокая степень саморазряда;
• Замедленная отдача заряда;
• Высокая стоимость.

Материалы

Основным материалом для СК является активированный уголь в измельчённом состоянии. Из него формируют электроды ионисторов. Общая площадь поверхности гранул позволяет концентрировать большой величины электрический потенциал.

Плотность энергии

По этому показателю ионисторы находятся между электролитическими конденсаторами и свинцовыми, полимерными аккумуляторами. Последние разработки позволили получить СК, по своим характеристикам приближенные к параметрам аккумуляторов.

Последнее достижение в этой области – это суперконденсатор, созданный индийскими и корейскими учёными с применением графена и азота. Опытный образец превосходил в два раза характеристики свинцового аккумулятора.

Практическое применение суперконденсаторов

Современные ионисторы нашли широкое применение в таких сферах, как:

1. Транспортные средства;
2. Бытовая электроника.

Транспортные средства

Суперконденсаторы с недавнего времени стали встраивать в транспортные средства, питанием которых является электроэнергия.

Тяжёлый и общественный транспорт

Не так давно на улицы Минска вышли на маршруты электробусы совместного производства южно-корейской компании Hyundai Motor и белорусского предприятия Белкоммунмаш. Новый общественный транспорт оснащён электрическим двигателем, питающимся энергией бортовых ионисторов. Москвичей порадовали электрические автобусы отечественного производства, вышедшие на городские маршруты в мае 2019 года.

Городской транспорт на ионисторах способен проходить маршрут до конечной остановки с подзарядкой на 2 или 3 остановках. Время подзарядки занимает 2-3 минуты, что вполне хватает для высадки и посадки пассажиров. Полную зарядку конденсаторной системы питания производят на конечных станциях в течение 8-10 минут.

Автомобили

Мировые лидеры по производству автомобилей постоянно совершенствуют свои электромобили. На международных выставках особое внимание уделяется машинам, питание которых обеспечивают суперконденсаторы.

Недавно российскими производителями был представлен Ё-мобиль, использующий суперконденсаторы как основной источник электроэнергии.

Дополнительная информация. В автомашинах, работающих на жидком топливе, стали всё чаще применять ионисторы для лёгкого пуска двигателя в условиях низких температур.

Автогонки

Автомобильные компании, производящие электромобили и их гибридные модификации, регулярно проводят автогонки с участием машин на ионисторах. Это делается для рекламы и продвижения своей продукции на мировом авторынке.

Бытовая электроника

Ни одно сложное электронное устройство не обходится без суперконденсаторов. Их можно найти в резервном питании ноутбуков, смартфонов и в других приборах бытового назначения. Ионисторы необходимы там, где нужно поддержать электропитание во время прерывания связи с основным источником тока.

Источники бесперебойного питания (ИБП) построены на ионисторах. ИБП незаменимы там, где электроснабжение зависит от непостоянных источников электроэнергии, таких как ветрогенераторы, солнечные батареи и пр.

Перспективы развития

В недалёком будущем ожидается массовое производство гибридного общественного транспорта. Это троллейбусы, которые смогут преодолевать участки дорог без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Они смогут маневрировать в тех местах, где штанги будут непреодолимой помехой движению транспорта.

Учёными всего мира ведутся поиски новых материалов для создания особо мощных суперконденсаторов. Такие ионисторы могли бы полностью заменить традиционные аккумуляторы.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора в домашних условиях понадобятся:

• фольга из пачки сигарет (диэлектрик);
• таблетки активированного угля (электрод);
• водорастворимый акриловый лак или клей ПВА (электролит).

Изготовить самодельный ионистор можно следующим образом:

1. Из фольги вырезают 2 прямоугольника.
2. Таблетки угля размалывают в ступке до состояния мелкого порошка. Это можно сделать и в кофемолке.
3. Угольный порошок перемешивают с акриловым лаком.
4. Полученную смесь наносят кисточкой на один из отрезков фольги.
5. После просушки наносят второй угольный слой, затем процесс повторяют.
6. Используя клей ПВА, приклеивают второй прямоугольник из фольги. Суперконденсатор готов.
7. Подсоединив проводки к двум противоположным сторонам изделия, можно зарядить ионистор с помощью любой батарейки.

Научно-технический прогресс в создании совершенных источников электроэнергии ни на секунду не замирает. В скором будущем будут созданы высоковольтные суперконденсаторы высокого качества, которые сделают технологический переворот практически во всех сферах деятельности человечества.

Видео

Суперконденсаторы вместо аккумуляторов

По своим основным характеристикам суперконденсаторы значительно отличаются от простых привычных конденсаторов. В них применены современные технологии, которые позволяют добиться увеличения срока службы, а также снизить токовые потери в процессе эксплуатации. Основной задачей производителей данных устройств является разработка, и создание изделий способных заменить аккумуляторы во многих отраслях.

1. Применение двойного электрического слоя
2. Техническая реализация
3. Разновидности суперконденсаторов
4. Двухслойные конденсаторы
5. Гибридный суперконденсатор
6. Псевдоконденсаторы
7. Основные параметры
8. Энергетическая плотность
9. Преимущества и недостатки
10. Особенности применения
11. Перспективы развития

Применение двойного электрического слоя

Продолжительное время обладателями высоких значений внутренней емкости являлись конденсаторы электролитического вида. В различных устройствах изготавливались разнообразные обкладки, у одних они производились из металла, в других в виде электролита, где изоляцией являлся оксид используемого металла. Причем у обыкновенных конденсаторов внутренняя емкость имеет значение значительно ниже и равна долям фарада, чего на практике недостаточно для питания потребителей вместо аккумуляторных батарей.

Для обеспечения питания для электропотребителей были разработаны устройства на основе применения двойного электрического поля. Данное явление может возникать на границах материала или вещества при определенных условиях в жидком или твердом состоянии. В результате образуются два слоя разнополярных ионов одинакового размера, получается своеобразный конденсатор с электродами, между которыми образуется минимальное расстояние равное нескольким атомам.

Интересно знать! Устройства, полученные таким способом, называют ионисторами, а также суперконденсатор или ультраконденсатор.

Техническая реализация

Ионистор или суперконденсатор представляет собой устройство в конструкции которого имеются два электрода или пластины, изготовленные из активированного угля. Пространство между ними заполнено специальным электролитом, также между обкладками располагается мембрана, благодаря которой не происходит перемещение частиц электродов, а электролит свободно проникает в данное пространство.

Причем стоит отметить, что самостоятельно данные устройства не имеют определения полярности заряда конкретных электродов. Это свойство является одним из главных отличий от конденсаторов электролитического вида, в которых несоблюдение правильного подключения приводило к преждевременному выходу из строя. Однако при производстве на ионисторах наносится маркировка с указанием полярности, в результате того, что в процессе производства данные накопители энергии уже выходят заряженные.

Разновидности суперконденсаторов

В настоящее время все ультраконденсаторы разделяют на три основных вида:

1. Двухслойные.
2. Гибридные.
3. Псевдоконденсаторы.

Двухслойные конденсаторы

Данные устройства представляют собой изделие в конструкции которых применяются электроды с наличием пор, покрытых углеродом повышенной проводимости между ними находится специальный сепаратор. Благодаря разделению зарядов на электродах происходит образование значительного значения потенциала, в результате чего происходит накопление энергии.

Интересно знать! На величину емкости оказывает непосредственное влияние значение двойного слоя.

Двойной слой в такой конструкции выполняет роль конденсатора поверхностного. Благодаря электролиту два слоя объединяются в последовательную цепочку.

Гибридный суперконденсатор

Данный вид накопителей электроэнергии считается промежуточным между аккумуляторами и конденсаторами. В конструкции таких устройств применяются электроды, изготовленные из различных материалов, в результате чего емкость заряд накапливается разными способами.

Непосредственно сам процесс восстановления заряда происходит благодаря реакции окислительно-восстановительного вида. Такая конструкция позволяет значительно увеличить внутреннюю емкость и повысить рабочее напряжение. Электроды состоят из соединения сложных проводящих полимеров, которые в сочетании между собой представляют материал повышенных электрических характеристик.

Псевдоконденсаторы

Данные устройства представляют собой изделия несколько похожие по свои основным характеристикам на АКБ, они имеют два твердых электрода.

В результате чего стало возможным применять конденсатор вместо аккумулятора. Принцип действия состоит из двух основных механизмов:

• рабочие циклы заряд-разряд;
• электростатические реакции, которые наблюдаются в устройствах с двойным слоем.

Интересно знать! Емкость псевдоконденсаторов зависит от реакций переноса электролитических зарядов.

Основные параметры

К основным характеристикам суперконденсатора следует отнести:

• время заряда, имеет малое значение и равно от 1 с до 10 с;
• в сравнении с кислотными аккумуляторами имеют значительное число рабочих циклов, практически более 30000 часов;
• номинальное рабочее напряжение имеет значение до 2,75 В;
• срок службы до 15 лет;
• диапазон рабочих температур от -45°С до +65°С;
• удельная энергоемкость имеет значение до 5 Вт*ч/ кг.

Энергетическая плотность

Способность ионисторов накапливать энергию ниже, чем у кислотных аккумуляторных батарей. Значение энергии зависит от внутреннего сопротивления устройства, чем оно ниже, тем выше плотность энергии. Современные разработки позволяют применять такие материалы как азот и графен, благодаря которым удалось добиться значительного увеличения внутренней плотности энергии.

Преимущества и недостатки

Как и любое электронное устройство ионисторы в процессе эксплуатации имеют некоторые достоинства и недостатки. К преимуществам производители относят:

• Имеют пониженную удельную стоимость, если сравнивать емкость конденсатора и аккумулятора.
• Повышенные показатели внутренней емкости, в результате чего увеличивается количество рабочих циклов заряд-разряд.
• Более надежные, а также имеют большой срок службы в отличие от кислотных и литиевых аккумуляторов.
• Отличаются экологической чистотой, благодаря применяемым материалам.
• Повышенные значения номинальной мощности.
• Возможность эксплуатирования в широком температурном диапазоне. Низкие температуры не помеха при запуске оборудования любого вида.
• Значительно увеличенный временной промежуток при восполнении заряда и при рабочем разряде.
• В отличие от аккумуляторных батарей имеют возможность полного разряда практически до нулевого значения рабочего напряжения.

Интересно знать! Суперконденсаторы имеют сравнительно малые размеры относительно других подобных приборов.

Однако при наличии многих плюсов в процессе эксплуатации присутствуют и минусы. К недостаткам относят:

• Малая плотность энергетических накоплений относительно аналогичных устройств.
• Пониженное значение напряжение на единицу внутренней емкости одного элемента.
• Увеличенное показание самостоятельного разряда.
• Не окончательно проработанная технология производства ионисторов.

Особенности применения

Широкую популярность ионисторы приобрели благодаря стремлению человечества найти новые и более эффективные средства для того, чтобы накапливать и сохранять энергию длительное время. Основным достоинством, определившим его распространение, стала возможность суперконденсатора за короткий период времени импульсно выделять значительную энергию от 0,1 с до 10 с.

Ионисторы нашли применение в установках и технике, где необходим быстрый и качественный запуск электрооборудования в короткий промежуток времени даже при отрицательных температурах. При этом уменьшаются максимальные токовые нагрузки и приводит к экономии средств. Не исключено и применение для запуска двигателя внутреннего сгорания.

При соединении конденсаторов в батарею возможно добиться максимальной емкости сопоставимой с аккумуляторной для питания электромобилей. Однако при этом вес источника питания будет значительно выше чем у обычных аккумуляторов. Разработчикам практически удалось решить проблему превышающего веса, для этого необходим графен однако такое возможно пока только в лабораторных условиях.

В настоящее время одним самых наиболее удачных применений ионисторов стало использование в общественном электротранспорте. В конструкции такой техники применяются устройства бесперебойного питания в которых присутствуют суперконденсаторы.

Аварийное освещение в которых установлены конденсаторы большой емкости вместо аккумуляторов имеют значительное преимущество перед системами с обычными аккумуляторами.

Интересно знать! Некоторые зарубежные производители встраивают резервные источники питания на основе ионисторов в светодиодные лампы.

Перспективы развития

Современные технологии и разработки позволяют предположить, что ионисторы в скором времени будут применяться практически во всех энергоемких производствах, космической промышленности, медицине и военной технике. Постепенно будет увеличиваться внутренняя емкость суперконденсаторов, в результате чего станет возможным заменить старые свинцово-кислотные батареи.

Также станет возможным внедрение в различные электронные устройства с регулированием и управлением. Причем станет доступным производство экологически чистых источников экономии энергии, которые значительно превышают аналоги по характеристикам. А также суперконденсаторы находят широкое применение в автомобильном транспорте, мобильных и электронных устройствах.

Полное вытеснение обычных аккумуляторов пока не происходит так как суперконденсаторы используются только в определенных областях. Однако наука не стоит на месте и постоянно развивается, в результате чего в скором времени мы сможем увидеть данные устройства в автомобильной технике, мобильных и электронных устройствах.

Суперконденсатор в помощь аккумулятору

Прочитал темку :
Отчёт: Суперконденсаторы Boostcap/Ultracap/ИКЭ итд. в помощь акб лютой зимой (PGrap)
forums.drom.ru/toyota-vit…ienta/t1152002361-p8.html
и заинтересовался.
Решил забабахать супер конденсатор и себе.
Подключить последовательно 6 кондёров по 100F и получить один на 16F и напряжение в 16v
Это конечно мало для без аккумуляторной заводки, но как буфер для помощи в начале вращения стартёра должен очень помочь.
Поиграюсь, поэкспериментирую, а там глядишь разорюсь и на большую ёмкость, цены всё-ж не дешёвые.

заводим двигатель конденсатором 350 Ф при 8,7 В (Toyota FunCargo, 1NZ-FE)

Replacing My Car Battery with Capacitors! 12V BoostPack Update
6 х 350F 2.5v = 60F 15v

12V BoostPack. Replaces auto battery. Works great!

Самое прикольное, что ролики про моего Яриса… :6:

Старт ДВС от подобных конденсаторов, от этой-же конторы с тонкими выводами
Набор из 6 кондёров по 500 фарад = 83 фарада.

Экспериментальная проверка конденсатора
www.krasvolga.narod.ru/pap003.htm
Чтобы убедиться в полезности такой покупки, отсутствии негативных последствий для машины, администрация магазина решила организовать экспериментальную проверку конденсатора. Конденсатор «для грузовиков» повышенной мощности – ИКЭ 16/14(160F) был установлен на грузовой автомобиль УАЗ-3303. Умощнённая модификация конденсатора была выбрана потому, что двигатель после ремонта вращался туго и требовал явно больше затрат мощности, чем прокручивание двигателя «Жигулей». При подключении конденсатор был заряжен через лампу фары от батареи автомобиля. Подключение без зарядки вызвало бы мощное искрение на клеммах. Зарядка до 12 вольт заняла 14,3 минут. Если же дать ток зарядки 30 ампер, то потребуется 42 секунды на зарядку. Попробовал я зарядить конденсатор и от девяти батареек для фонарика. Зарядка происходила дольше — 27 минут, но для запуска стартером теплого двигателя этого хватило, ибо ёмкость батареек немного больше 0,9 А-ч. Ток при запуске тёплого двигателя составил 140 А. Для эксперимента специально была взята аккумуляторная батарея в последней стадии истощения. Её возможностей хватало на пару оборотов стартера. В случае фиаско – доставай ручку. После подключения конденсатора батарея поделилась с конденсатором крохами ёмкости. Как только напряжение достигло предела этой батареи – 11,64 В, был включен в работу стартер. Запуск был короткий и энергичный, и это при полумёртвой батарее! Итог следующий: максимальный ток стартера в режиме торможения составил 300 А, время уверенной прокрутки двигателя только конденсатором 11 секунд до напряжения 8,5 В. При включении фар с габаритными огнями напряжение на конденсаторе снижается с 14 до 12 В за 42 секунды. Как долговременный источник тока конденсатор неприменим, – для этого есть аккумулятор. Зато конденсатор может другое, — в любой мороз отдать максимум тока. В 2000 году исследовательскую дипломную работу выполнял выпускник АТФ А.Н. Телепня. Его результаты ещё более интересны. Мало того, что пусковой ток легко достигает 600 ампер несмотря на мороз. За счёт того, что конденсатор берёт на себя максимум нагрузки, аккумуляторная батарея работает в щадящем режиме и не выходит из строя за один-два сезона работы.

Расчёты, что-б не забыть :
Аккумулятор 60 Ампер-часов. Это значит, что аккумулятор может давать ток 60 ампер в течении 1 часа, или ток в 1 ампер в течении 60 часов.
Таким образом, например, мы можем использовать электрическую энергию с параметрами 60 Ампер 12 Вольт в течении 1 часа, то есть мы получим от акумулятора энергию, достаточную для совершения работы A=U*I*t = 12Вольт * 60 Ампер * 1час = 720Ватт * 3600 секунд = 2592000 Джоулей = 2.6МДж.
Этой энергии, например, хватит, чтобы вскипятить 7.7 литров воды комнатной температуры.
А для потребление стартёра при пуске автомобиля в среднем :
12 Вольт * 200 Ампер * 2 секунды = 4800 джоулей

Формула E=(C*U*U)/2 выражает собой накопленную конденсатором энергию.
То есть конденсатор емкостью 1 фарада заряженный до напряжения 12 вольт накопит в себе энергии 72 джоуля.
Соответственно 16 фарад = 1152 джоулей.

Потребитель — стартёр : 200A * 12V = 2400 джоулей в 1 секунду
Источник — конденсатор : (16F * 12V^2) /2= 1152 джоулей.
Конденсатора в 16 фарад теоретически должно хватать на 0.5 секунды работы стартёра.
Дальше можно легко соотнести время работы стартёра запасённое в конденсаторе определённой ёмкости.

Вот график стартовых токов (это для какой-то легковушки, но нас интересует общая форма кривой):

Как видно, в начале ток резко подскакивает до максимума (ток короткого замыкания стартера, когда ротор еще неподвижен, в нагрузке присутствует лишь активное электрическое сопротивление статора), потом где-то за 0.5 секунды потребляемый ток снижается вдвое (стартер начал проворачиваться, в нагрузке добавилось реактивное сопротивление) и дальше остается на этом устоявшемся значении, пока двигатель не заведется.
Задача конденсатора состоит в том, чтобы взять на себя питание стартера в эти первые 0.5 секунд, когда ток скакнул до 200А. Ну а дальше, когда кондер разрядится, питать стартер будет уже аккумулятор, но уже вдвое меньшим током.

Так ёмкость в 50-100 фарад можно использовать как хороший помощник для аккумулятора при старте стартёра, при начале его вращения когда он потребляет максимальный, пиковый ток.
Чем обеспечивает более щадящий режим эксплуатации аккумулятора и продлевает его жизнь.

Ёмкость в 200-500 фарад самостоятельно заводит автомобиль без аккумулятора, но нуждается в таковом для последующей быстрой подзарядки, в случае неудачного старта. В течении нескольких минут она заряжается от даже очень слабого аккумулятора(который самостоятельно не смог-бы запустить ДВС) и снова готова к очередной попытке.

Ёмкости более 500 фарад можно использовать вообще без аккумулятора, а для поддержки заряда и питания слабосильных потребителей во время стоянки,
питать их от источников в 5-10 А/ч.

Ёмкость в 1000 и более фарад, если таковые у кого-то появятся, могут хранить достаточный уровень заряда продолжительное время, сравнимое со стандартной аккумуляторной батареей и могут таковую заменить по всем параметрам. При том, что срок жизни конденсаторов более 10 лет.

Почему никто не использует конденсатор вместо аккумулятора?

Что если использовать электролитический конденсатор вместо аккумулятора? Такое возможно, но есть одно слишком серьёзное препятствие — телефоны и электромобили с таким источником автономного питания не смогут «держать заряд».

Вопрос заслуживает внимания научного сообщества, он рассматривается и сейчас на уровне инженерных проектов/экспериментов и даже когда-то применялся на практике.

Производители всерьёз рассматривают в качестве альтернативы аккумуляторам так называемые двойные электрохимические ионисторы — здесь и далее в контексте суперконденсаторы (или «супер-конденсаторы», как печатают некоторые издания). Но пока на текущем уровне технологического прогресса это допустимо лишь в определённых областях. Но пока на текущем уровне технологического прогресса это допустимо лишь в определённых областях.

В чём плюсы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

• • Мгновенно. Ионистор отлично справляется с пиковым пусковым током, накапливая и отдавая энергию практически мгновенно.
• • Быстро. Заряжается не за час-другой, а за считанные секунды (поэтому, например, NASA применяет суперконденсаторы в космосе).
• • Безопасно. Накапливает заряд на твёрдых телах, когда как литиевые батареи — в процессе химических реакций (обычно жидкостных).
• • Надёжно. Коммерческие суперконденсаторы гарантируют 1 миллион циклов заряда, когда как обычные аккумуляторы — в среднем 800-1200 циклов.
• • КПД. Суперконденсаторы отдают энергию с эффективностью порядка 98%.
• • Выносливо. Устойчивость к экстремальным температурам и физическим повреждениям.

В чём минусы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

• • Низкая ёмкость. Самый большой коммерческий суперконденсатор в фарадах (F) накапливает лишь 20% от электрической энергии в сравнимой батарее.
• • Не держит. Аккумуляторы предлагают намного больше плотности энергии на единицу массы, обеспечивая долгую автономность без внешнего питания.
• • Саморазряд. Степень саморазряда существенно превышает таковую у самого слабого аккумулятора.
• • Малоприменим. В итоге даже самый мощный суперконденсатор (обеспечивающий лучшую величину энергии) не сможет дольше минуты питать «аварийку» у заглушенного автомобиля и подсветку экрана у работающего телефона.

Почему суперконденсатор вместо аккумулятора на практике используют так редко?

1. У них разные цели

В аккумуляторе намного больше запасается энергии, а это самая важная его цель — не разряжаться как можно дольше в бытовых приборах, в потребительской электронике и автомобилях.

2. У конденсатора саморазряд

В аккумуляторах он тоже есть, но в значительной меньшей степени проявляется. Суперконденсаторы быстро заряжаются и быстро отдают заряд — для длительного хранения энергии они не подходят ещё и по причине утечек.

3. Разное напряжение

В то время, пока аккумулятор поддерживает ваш телефон в рабочем состоянии, напряжение практически не меняется. Конденсатор изменяет напряжение в зависимости от накопленного заряда — цифры меняются в значительных пределах, что неприемлемо для чувствительной мобильной электроники, например.

→ В этой статье мы рассматриваем тему суперконденсаторов в максимально упрощённом варианте для массовой публики.

Если вас интересует, например, подробная возможность установки конденсаторов вместо аккумуляторов в RAID-контроллерах, то напишите об этом в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в   и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.