В чем разница между аккумулятором и конденсатором

Конденсатор и аккумулятор 2021

Что такое аккумулятор?

Аккумулятор представляет собой электронное устройство, состоящее из одной или нескольких ячеек, которая преобразует химическую энергию, упакованную в ее активные материалы, в электрическую энергию для обеспечения статического электрического заряда для мощности.

Электроны производятся посредством электрохимических реакций, которые связаны с переносом электронов по электронной цепи.

Проще говоря, аккумулятор является постоянным источником питания, который подает электричество в виде постоянного тока (DC). Обычно батарея содержит положительный (+ ve) и отрицательный (-ve) терминал.

Ячейка является основным блоком питания батареи, который состоит из трех основных бит. Плюс есть два электрода и химикат, называемый электролитом, который заполняет зазор между электродами.

Когда электроды подключены к цепи, электроны переходят от отрицательного к положительному терминалу, в конечном итоге создавая электрический заряд. Энергия хранится внутри батареи в виде химической энергии, которая преобразуется в электрическую энергию, выделяя электричество через химическую реакцию, которая в конечном итоге генерирует электрический ток.

Возьмите пример фонарика. Когда вы кладете щелочные батареи в фонарик и включаете выключатель, вы ничего не делаете, кроме как завершаете цепь. Химическая энергия, хранящаяся в батарее, преобразуется в электрическую энергию, которая затем выходит из батареи, заставляя фонарик загораться. Это связано с тем, что электроны пересекают контур.

Катод и анод обычно изготовлены из разных материалов. Положительный электрод содержит материал, который легко удаляет электроны, такие как литий.

Электроны попадают на катод только через цепь, которая является внешней по отношению к батарее. Электролит – самая важная часть в работе батареи – переносит ионы между химическими реакциями, которые происходят в электродах.

Эти химические реакции в совокупности называются реакциями окисления-восстановления.

Что такое конденсатор?

Конденсатор (также известный как конденсатор) также является электронным компонентом, который хранит электростатическую энергию в электрическом поле.

Они больше похожи на батарею, но они используются совершенно для разных целей. В то время как аккумулятор использует химические реакции для хранения электрической энергии и очень медленно выделяет энергию через электронную схему, конденсаторы способны быстро высвобождать энергию.

Конденсатор содержит по меньшей мере два электрических проводника, разделенных изолятором (диэлектриком). Когда электрическое поле развивается через изолятор, он останавливает поток, и электрический заряд начинает накапливаться на пластинах.

Вы можете найти все типы конденсаторов, начиная от небольших шариков конденсатора, обнаруженных в резонансных цепях, до конденсаторов коррекции мощности, используемых для крупномасштабных операций.

Конденсатор в основном состоит из двух или более металлических пластин, которые не соединены друг с другом, но электрически разделены непроводящим веществом, таким как керамика, фарфор, целлюлоза, слюда, тефлон и т. Д.

Диэлектрик обычно диктует, какой тип конденсатора он и для чего его можно использовать в идеале. Хотя некоторые конденсаторы идеально подходят для высокочастотных операций, в то время как некоторые из них лучше всего подходят для приложений с высоким напряжением.

Разница между конденсатором и аккумулятором

  1. Определение конденсатора и батареи – В то время как аккумулятор сохраняет свою потенциальную энергию в виде химических реакций, прежде чем превращать ее в электрическую энергию, конденсаторы сохраняют потенциальную энергию в электрическом поле. В отличие от батареи, напряжение конденсатора является переменным и пропорционально количеству электрического заряда, хранящегося на пластинах.
  2. Применение конденсатора и аккумулятора – Аккумулятор обычно может хранить большее количество электрического заряда, а конденсатор, с другой стороны, способен работать с высоковольтными приложениями и идеально подходит для высокочастотных применений.
  3. Скорость заряда / разрядаконденсатора и аккумулятора – Скорость, с которой конденсатор может заряжаться и разряжаться, обычно быстрее, чем то, на что способен батарея, поскольку конденсатор хранит электрическую энергию непосредственно на пластинах. Процесс немного задерживается в случае батареи из-за химической реакции, связанной с преобразованием химической энергии в электрическую.
  4. Хранилище энергииконденсатора и аккумулятора – Хотя оба электронных устройства используются для хранения электрической энергии, способ, которым они действуют, сильно меняется. Аккумулятор хранит электрическую энергию в виде химической энергии, а конденсатор хранит электрическую энергию в магнитном поле. Вот почему батареи хранят много заряда, но они заряжаются / разряжаются очень медленно.
  5. полярность конденсатора и аккумулятора – Полярность электронной схемы должна быть обратной во время зарядки аккумулятора, в то время как она должна быть такой же, как предполагается, при использовании в случае конденсатора. Батарея поддерживает постоянный поток напряжения на клеммах и разряжается только при понижении напряжения.

Конденсатор против батареи: таблица сравнения

аккумулятор Конденсатор
Аккумулятор сохраняет свою потенциальную энергию в виде химической энергии. Конденсатор использует электростатическое поле для хранения электрической энергии.
Он имеет лучшую плотность энергии, что означает, что больше энергии на объем можно сохранить. Он имеет сравнительно низкую плотность энергии, чем батарея.
Это в основном компонент постоянного тока. Он идеально подходит для приложений переменного тока.
Скорость заряда / разряда относительно медленнее, чем конденсаторы. Частота зарядки / разрядки обычно выше, чем батарея, поскольку она хранит энергию непосредственно на пластинах.
Зарядки не разделяются батареей. Электроны предварительно хранятся в конденсаторах.
Аккумулятор работает дольше. Конденсаторы разряжаются почти мгновенно.

Сводные данные о конденсаторе и аккумуляторе

Обе батареи и конденсаторы представляют собой электронные устройства, способные хранить электрический заряд, и они кажутся ужасно похожими, поскольку оба они выпускают электрическую энергию. Однако способ, которым они это делают, сильно варьируется. В то время как аккумулятор хранит потенциальную энергию в химической форме, конденсатор сохраняет свою потенциальную энергию в электростатическом поле. Проще говоря, батареи хранят и распределяют энергию в линейном виде – как постоянный электрический поток. Конденсаторы, с другой стороны, распределяют энергию в коротких очередях. Конденсатор хранит энергию непосредственно на пластинах, что делает зарядку / разрядку немного быстрее, чем батареи. Однако батареи способны восстанавливать свою накопленную энергию намного эффективнее и на длительный срок, чем конденсаторы.

Конденсатор вместо аккумулятора

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Принципиальная схема источника бесперебойного питания
напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
на одной микосхеме производства LinearTechnology

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Накапливаемая энергия

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

E = CU 2 /2,
где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

W = CU 2 /7200000

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием
от солнечных батарей, накопление энергии
в котором осуществляется в суперконденсаторе

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Конденсатор и аккумулятор: схожесть и различия

Аккумуляторы и конденсаторы, при первичном рассмотрении выполняют сходную роль – и тот и другой вид накапливает и отдает электрическую энергию. Но, принцип и особенности действия у них различны. Главная задача аккумулятора сохранять заряд длительное время, а в случае конденсатора собрать определенный уровень и дать быстрый разряд с определенной силой тока. Чем отличаются эти детали по строению друг от друга лучше разбирать подробно, так как применение в электронных и электрических схемах различно.

Общий принцип действия

Основная задача батареи и конденсатора заключается в накоплении определенных объемов энергии. Но, дальнейшее направление этого запаса различно. В случае с аккумулятором – длительное сохранение заряда и дальнейшее питание электронных и электрических приборов, а для электроемкого элемента – кратковременное накопление. Они устроены по разному принципу, что заметно в их названиях.

Строение конденсатора

Конденсатор – латинское происхождение названия от слова condensatio, что означает накопление или конденсация энергии. Устройство этой электронной детали простое – 2 токопроводящие пластины, разделенные диэлектриком определенной плотности. В зависимости от габаритов обкладок и проводимости промежуточного материала изменяется емкость конденсатора. Принцип работы этого устройства следующий:

  1. Подаваемый ток воздействует на пластины и создает между ними разницу потенциалов.
  2. Наведенное магнитное поле принуждает к распределению электронов в диэлектрике в определенном порядке.
  3. Ориентация диполей внутри устройства компенсирует воздействие ЭДС собственным потенциалом.
  4. Накопленный заряд после отключения питания сохраняется на короткое время – зависит от использованных материалов и емкости.
  5. При подключении конденсатора к нагрузке, происходит стремительный сброс заряда.

От величины обкладок в строении такого элемента и уровня проницаемости использованного диэлектрика зависит его емкость. Но, при большем накоплении энергии увеличивается и сила исходящего тока при разрядке.

Строение аккумулятора

Аккумулятор – наименование также происходит от латинского accumulo, и переводится, как накапливаю, собираю, аккумулирую. Внутри этого электронного устройства присутствует вещество-электролит, анод и катод. При внешнем электрическом воздействии происходит химический процесс, который выступает основой накопления заряда. Разобрать работу аккумулятора можно на примере литий-ионного устройства:

  1. При подаче электричества на контакты батареи, между катодом (алюминий) и анодом (медь) возникает наведенный потенциал.
  2. Ионы лития, под воздействием ЭДС, встраиваются в кристаллическую решетку анода.
  3. Когда подключена нагрузка к контактам аккумулятора, происходит обратный процесс выделения ионов лития и встраивание в алюминиевую решетку.

Автомобильные батареи работают на сходном принципе, только в качестве катода и анода выступает свинцовая решетка. Для положительного заряда в ячейках присутствует спрессованный диоксид (PbO2), а для отрицательного контакта прессованный порошковый свинец. Наполнены такие батареи кислотным составом, который постепенно, за период пользования высыхает. Характерная особенность АКБ – необходимость контроля скорости заряда/разряда, соблюдение полярности контактов, а также силы тока.

Главные различия

Для конденсатора характерно кратковременное содержание накопленной энергии в готовом виде, которая может быть выброшена мгновенно при подключении нагрузки. В свою очередь, АКБ сохраняет запас тока на длительный срок в виде рассчитанной химической перестройки. Основные различия между электронными устройствами и особенностями их работы можно посмотреть в таблице:

Аккумулятор Конденсатор
Заряд сохранен в форме химического процесса Для накопления применен электрический потенциал диэлектрика
Высокая плотность сохраняемого запаса Низкая плотность с малым запасом
Только постоянный ток Можно применять с переменным током
Замедленное накопление заряда Ускоренная зарядка и разрядка

Фактически – в аккумуляторной батарее заряда нет. При подключении нагрузки электричество вырабатывается за счет перехода ионов от анода к катоду.

Вне зависимости от схожести в функции, аккумулятор и конденсатор имеют значительные различия по собственному устройству и применению. Как основную разницу можно выделить то, что в батарее нет постоянного запаса энергии – ее выработка происходит только при подключении нагрузки. Для конденсатора невозможна длительная разрядка – весь потенциал сходит за короткий период.

Li-on / Li-pol аккумулятор или конденсатор, что лучше?

Видеорегистратор питается от сети автомобиля. Тогда зачем ему дополнительные внутренние источники питания? Да и вообще зачем регистратору работать автономно?

[su_note note_color=”#2917BC” text_color=”#ffffff” radius=”7″]Плюсы и минусы аккумуляторов Li-on и Li-pol[/su_note]

Во-первых, это позволяет регистратору корректно завершить работу после прекращения подачи питания из вне. Например, при сильном ДТП в результате которого может отключиться бортовая сеть. Благодаря возможности какое-то время работать автономно видеорегистратор при прекращении питания не просто отключается, а именно завершает работу. При этом корректно сохраняется последний записанный файл. А ведь в нём может быть зафиксирован не только момент ДТП, но и его причины.

Во-вторых, может возникнуть необходимость показать видео вне салона автомобиля, например, сотруднику ДПС. Питать регистратор в случае его автономной работы могут два элемента: либо аккумуляторная батарея, либо конденсатор. И разница между ними в том, что батарея питает устройство дольше. Намного дольше. Ёмкость аккумуляторных батарей, которые используются в регистраторах, варьируются от 150 до 600 мАч. На практике ёмкости в 150 мАч хватает примерно до 5 минут автономной работы. 600 мАч и выше позволяют устройству работать самостоятельно около часа. Конечно же это всего лишь приблизительные оценки. Все зависит от энергопотребления конкретного регистратора. Но по опыту, стоит сказать, что автономная работа свыше 10 минут от видеорегистратора требуется крайне редко.

За 5 минут можно вполне успеть решить спорную ситуацию на дороге. А пользоваться регистратором как отдельной камерой вряд ли кто-то станет, ведь в современном мире для этого есть мобильные телефоны. Поэтому рекордные показатели ёмкости аккумулятора не стоит рассматривать в числе основных требований к новому видеорегистратору. В том числе, если вы думаете использовать его в качестве охранной системы. Внутреннее питание регистратора не предназначено для такой долгой работы, поэтому если вы хотите чтобы устройство наблюдало за темным двором всю ночь, вам нужно будет позаботиться о прямом питании от бортовой сети. Но это уже совсем другая тема.

И так, аккумуляторная батарея позволяет видеорегистратору определенное время работать автономно. Это плюс. Но есть и один существенный минус. Аккумуляторы подвержены перегреву во время работы и на солнце и их нельзя хранить при минусовых температурах. Из-за перегрева батарея может протечь или даже взорваться, а и-за переохлаждения просто выйти из строя. Случается это не часто, но если случается, то приводит к порче видеорегистратора и представляет потенциальную опасность для человека.

[su_note note_color=”#2917BC” text_color=”#ffffff” radius=”7″]Плюсы и минусы аккумуляторов Ионисторов – конденсаторов [/su_note]

Зато конденсаторы, которые все чаще используются в видеорегистраторах для скрытой установки, не вздуваются, и не взрываются от перегрева. Да и срок их службы выше. К сожалению, пока конденсаторы не дают возможности устройству работать автономно, а лишь позволяют им корректно завершить работу в течение нескольких секунд после завершения питания. Однако это не значит, что решить спорную ситуацию на дороге и показать видео инспектору не получится. Во многих моделях с конденсаторами есть Wi-Fi. Если бортовая сеть автомобиля работает, можно просто передать нужный файл с регистратора на мобильный телефон прямо в салоне, и уже потом показать его инспектору. Конденсаторы менее восприимчивы не только к высоким, но и к низким температурам, в отличие от аккумуляторов. Об этом производители не редко сообщают сразу на упаковке модели с конденсатором, называя это, например, защитой от сложных температурных условий. На практике это значит, что регистратор с конденсатором можно оставлять в салоне автомобиля на ночь зимой. Но нужно помнить, что в состоянии покоя они полностью разряжаются в течение нескольких дней. В бюджетных моделях регистраторов это иногда приводит к сбою настроек даты и времени. Хотя практика показывает, что в моделях среднего и высокого ценового сегмента такие случаи не встречаются. Также следует добавить, что на сегодняшний день конденсаторы ощутимо дороже аккумуляторов.

[su_note note_color=”#2917BC” text_color=”#ffffff” radius=”7″]Вывод[/su_note]

Подводим итоги. И батарея, и конденсатор обладают своими достоинствами. В целом конденсаторы надежнее и безопаснее, однако на сегодняшний день устройства с ними дороже. Аккумуляторы дешевле конденсаторов и предпочтительнее в тех случаях, когда автономная работа все же необходима. Учитывайте эти особенности, при выборе регистратора.

Конденсатор вместо аккумулятора: техническое решение

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий