Akumulatory i kondensatory.pdf

Eksploatacja / Akumulatory

12/2007

> Warsztat <

Akumulatory

mowy, aby powstał elektryczny samochód

o rozsądnej masie, zdolny przejechać choć-

by 400 kilometrów od ładowania do łado-

wania, dysponujący osiągami co najmniej

klasycznego auta popularnego i, co ważne,

dający się z powrotem „zatankować” prą-

dem w kilka lub kilkanaście minut.

Większość obecnie produkowanych i pro-

jektowanych samochodów hybrydowych

i z ogniwami paliwowymi ma akumulatory

niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH).

Ta technologia jest już dobrze opanowa-

na i daje niezłe wyniki, choć ma też wady

– akumulatory tego typu podlegają stop-

niowemu samorozładowaniu, co bywa

istotne, gdy samochód nie jest użytkowany

systematycznie.

Lepsze parametry, szczególnie gęstość

energii, mają akumulatory litowo-jonowe

(Li-ion), ale producenci samochodów hy-

brydowych uznają, że ta technologia wy-

maga jeszcze dopracowania. Problemem

jest bezpieczeństwo, zagospodarowanie

zużytych baterii, ale największym niedo-

stateczna ich trwałość.

Wszystkie wspomniane technologie aku-

mulatorów mają dwie podstawowe wady:

długi czas ładowania oraz niedostateczną

sprawność i trudność wykorzystania całej

energii, jaka zostanie w nich zmagazyno-

wana. Właściwą odpowiedzią zdają się być

kondensatory. Nie wdając się w dłuższe

dywagacje fizyczno-chemiczne, konden-

sator jest magazynem energii elektrycznej,

podobnie jak wspomniany wyżej aku-

mulator, ale takim, w którym ładowaniu

i rozładowaniu nie towarzyszy reakcja che-

miczna. Skutkiem tego proces ładowania

i rozładowania kondensatora jest niezwy-

kle szybki. Z drugiej jednak strony klasycz-

ne, tzw. elektrolityczne, kondensatory mają

minimalną pojemność, a więc i niewielką

gęstość zmagazynowanej energii.

i kondensatory

Jednym z dwóch źródeł prądu w każdym pojeździe jest akumulator. Drugim jest

alternator dostarczający temu pierwszemu energii elektrycznej.

Po lewej – budowa ogniwa Li-ion oferującego dwukrotnie lepszą wydajność niż NiMH: 1) pokrywa, 2) uszczel-

ka, 3) izolacja, 4) obudowa i połączenie ujemne, 5) połączenie dodatnie, 6) zawór bezpieczeństwa,

7) czujnik temperatury/wyłącznik, 8) separator – elektrolit, 9) elektroda dodatnia, 10) elektroda ujemna.

Jak widać, ogniwo litowo-jonowe przypomina konstrukcją ogniwo nowoczesnego akumulatora ołowiowo- -

kwasowego w technologii Orbital, a to z kolei przypomina historyczne ogniwo Gastona Plantégo. Za każdym

razem chodzi o mechaniczną trwałość i jak największą powierzchnię płyt – elektrod w zadanej objętości.

1000

10 000 s 1000 s

100 s

opracowanie: ATM

Akumulatory wielokrotnego ładowania

Li-ion

NiMH

NiCd

100

P ierwszy akumulator skonstruował

10 s

w 1859 roku francuski fizyk Ga-

ston Planté. Urządzenie składało się

z pojedynczego ogniwa, które zbudowano

z dwóch ołowianych folii spiralnie zwinię-

tych i odseparowanych od siebie płótnem

lnianym. Całość zanurzona w elektrolicie,

roztworze kwasu siarkowego, była prototy-

pem akumulatora takiego, jaki znamy dzi-

siaj. Po 150 latach najbardziej popularne

w motoryzacji są ciągle akumulatory kwa-

sowo-ołowiowe. Czyżby więc przez pół-

tora wieku technologia magazynowania

prądu nie posunęła się do przodu? Wręcz

przeciwnie, choć genialny wynalazek pana

Plantégo nadal stanowi jej podwaliny. Przez

lata dążono do zwiększenia trwałości aku-

mulatorów i poprawienia parametru zwa-

nego gęstością energii, czyli zdolnością do

jej magazynowania w odniesieniu do masy

urządzenia. Jak się okazuje bariery, jakie tu

występują, trudno przekroczyć.

Technologie budowy akumulatorów do-

znały wyraźnego przyspieszenia w ostatnim

ćwierćwieczu, gdy przemysł motoryzacyj-

ny zaczął poszukiwać wydajnego maga-

zynu energii dla ekologicznych pojazdów

elektrycznych. I właśnie ta kwestia stała się

barierą dla rozwoju podobnych pojazdów.

Na razie żaden ze znanych akumulatorów

nie jest w stanie zmagazynować energii

w takiej gęstości, która byłaby choć trochę

porównywalna z gęstością energii w zbior-

niku z benzyną lub olejem napędowym.

Nie mówimy tu już oczywiście o akumula-

torach kwasowo-ołowiowych. Pojawiły się

lepsze rozwiązania, choć niektóre z nich

drogie i kłopotliwe. Dalej jednak nie ma

1 s

Kondensatory dwuwarstwowe

superkondensatory

0,1 s

0,1

Aluminiowe kondensatory

elektrolityczne

0,01

10 100 1000 10 000

Moc w przeliczeniu na jednostkę masy [W/kg]

Wydajność systemów magazynowania energii elektrycznej. Największą gęstość energii (do 160 Wh/kg) oferuje

ogniwo Li-ion, jednak jego problemem jest trwałość (rzędu tylko 2 lat) i kwestia bezpieczeństwa w przypadku

przeładowania lub nadmiernego wzrostu temperatury. Duże nadzieje wiąże się za to z superkondensatorami.

W ostatnich dziesięcioleciach pojawiły się

jednak kondensatory będące formą przej-

ściową pomiędzy akumulatorami a zwy-

kłymi kondensatorami. Są to kondensatory

dwuwarstwowe (określenie to dotyczy nie

tyle budowy, co specyficznego procesu fi-

zycznego, jaki powoduje grupowanie elek-

tronów przy ładowaniu pod niskim na-

pięciem, bez udziału jakiejkolwiek reakcji

chemicznej), oraz tzw. superkondensatory,

które wykorzystują tę technologię, plus

specjalne rozwiązania powodujące olbrzy-

mie zwiększenie powierzchni czynnej, na

której gromadzony jest potencjał elektrycz-

ny. W rezultacie superkondensator może

gromadzić energię o gęstości zbliżonej do

zwykłych akumulatorów, a jednocześnie

może być on ładowany i rozładowany dość

dużym prądem, co prawda o niewielkim

napięciu, ale za to bardzo szybko – czas

pełnego ładowania i rozładowania liczony

jest w sekundach lub dziesiątkach sekund.

Akumulator ołowiowy z tzw. uwięzionym elektro-

litem, odporny na wielokrotne rozładowanie. Różni

się tym od klasycznego, że elektrolit utrzymywany

jest w sprasowanej macie z włókna szklanego.

Doświadczalny akumulator Li-ion ma doskonałe

parametry elektryczne, ale ciągle zbyt szybko traci

pojemność, poza tym może być niebezpieczny,

gdy będzie nieprawidłowo ładowany.

Superkondensator oferuje przeciętną gęstość energii

i niskie napięcie, ale nadrabia szybkością ładowania.

Ten, wielkości trzech tabliczek czekolady, oddając

prąd 1 A przez ok. minutę, straci 1V napięcia.

www.autotechnika.com.pl

auto technika motoryzacyjna

grudzien 2007

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: