Akumulatory czy superkondensatory

Bardzo istotnym użytkowo parametrem w tych urządzeniach jest czas podtrzymania zasilania podczas pracy buforowej (lub inaczej bateryjnej, czyli w czasie przerwy w dostawie energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej), ale nie mniej ważnymi parametrami są czas ładowania źródeł (przywrócenie gotowości UPS do ponownej pracy bateryjnej po rozładowaniu zasobnika energii) oraz liczba cykli ładowania i rozładowania zasobnika energii.

Jako źródła zmagazynowanej energii powszechnie wykorzystuje się wtórne ogniwa chemiczne, jakimi są akumulatory. Tylko nieliczne renomowane firmy produkujące zasilacze UPS realizują projekty związane z najnowocześniejszymi technologiami, w których jako zasobniki energii stosuje się superkondensatory.

Znakomitym przykładem w tym zakresie mogą być UPS-y EVER serii EVOLUTION (fot. 1.) (ze szczegółami można zapoznać się na stronie internetowej http:/www.ever.eu/sinline_evolution).

Fot. 1. Zasilacze awaryjne EVER EVOLUTION z zastosowanymi superkondensatorami

Przy podejmowaniu decyzji co do wyboru zasobnika magazynowanej energii należy na problem spojrzeć wieloaspektowo – nie wystarczy porównać cen zakupu poszczególnych źródeł (akumulatorów lub superkondensatorów), ale trzeba również uwzględnić warunki ich eksploatacji, trwałość (żywotność), niezawodność, zakres temperatur pracy, wpływ na środowisko naturalne, jak również koszty związane z obsługą, konserwacją oraz okresami użytkowania (wymiany wyeksploatowanego źródła na nowe), ponieważ tańsze w zakupie zasobniki magazynowanej energii nie muszą być tożsame z bardziej ekonomicznymi w przewidywanym czasie eksploatacji zasilacza UPS.

budowa i własności funkcjonalne superkondensatorów

Najnowszymi rozwiązaniami magazynów energii elektrycznej są superkondensatory, które mogą przyjmować i oddawać bardzo duże prądy (rzędu kA), posiadają dużą pojemność i charakteryzują się bardzo dużą trwałością oraz mogą pracować w szerokim zakresie temperatur. W kondensatorach energia elektryczna magazynowana jest w polu elektrycznym.

Superkondensator (nazywany również ultrakondensatorem) jest specyficznej budowy kondensatorem elektrolitycznym, wykazującym się niebywale dużą pojemnością elektryczną (nawet rzędu kilku tysięcy faradów), dużą gęstością energii i bardzo dużą gęstością mocy. Łączy on w pewnym sensie cechy akumulatora i tradycyjnego kondensatora.

Duża gęstość energii świadczy o zasobności naładowanego źródła (zdolności do magazynowania energii), natomiast z gęstością mocy związany jest sposób eksploatacji źródła – duża gęstość mocy świadczy o możliwościach poboru dużych energii w krótkim czasie (a zatem możliwościach ładowania i rozładowywania dużymi prądami, czyli uzyskania szybkiej wymiany ładunku). Idealny magazyn energii powinien wykazywać się jak największą gęstością energii i jak najwyższą gęstością mocy.

Zasada funkcjonowania kondensatora elektrochemicznego polega na gromadzeniu ładunków elektrycznych w obrębie podwójnej warstwy elektrycznej (Electric Double Layer – ELD), która powstaje na granicy ośrodków elektroda – elektrolit (rys. 1.).

Rys. 1. Budowa i zasada funkcjonowania superkondensatora: a) chaotyczny rozkład ładunku elektrycznego w elektrolicie w kondensatorze rozładowanym, b) wytworzenie się warstw podwójnych w przypadku naładowania kondensatora

Ponieważ pojemność kondensatora zależy wprost proporcjonalnie od powierzchni elektrod, a odwrotnie proporcjonalnie od ich odległości, elektrody wykonuje się z materiałów węglowych o znacznie rozwiniętej powierzchni czynnej.

Wykorzystując zaawansowane nanotechnologie elektrody produkuje się w postaci wielościennych nanorurek węglowych, dzięki czemu osiąga się ich gigantyczne powierzchnie właściwe (przekraczające nawet 2000 m² na jeden gram elektrody), a co za tym idzie również ogromne pojemności.

Jako substancje elektrolityczne stosowane są elektrolity organiczne (przy których zastosowaniu uzyskuje się wyższe wartości napięć pracy – rzędu 2,7÷2,8 V – dzięki czemu osiąga się wyższe gęstości energii) bądź elektrolity wodne (napięcie pracy jest w nich ograniczone do wartości 0,7÷0,8 V, w celu uniknięcia zajścia elektrolizy).

Do najbardziej charakterystycznych (a jednocześnie technicznie uzasadnionych) obszarów zastosowań superkondensatorów można zaliczyć:

• urządzenia mobilne i przenośne (praca cykliczna),
• przemysł motoryzacyjny (pojazdy elektryczne i hybrydowe),
• zasilacze UPS, sprzęt wojskowy, kosmiczny, urządzenia teleinformatyczne oraz elektroniczne itp.,
• elektroenergetyka (kondycjonowanie mocy, stabilizacja pracy sieci),
• współpraca z odnawialnymi źródłami energii (ogniwa fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe),
• systemy bezpieczeństwa w samolotach,
• układy alarmowe i przeciwpożarowe, systemy oświetlenia awaryjnego itp.

Szczególnie zasadne jest wykorzystanie superkondensatorów w systemach zasilania podlegających losowym silnym wahaniom zarówno mocy obciążeń (głównie w stanach przejściowych pracy urządzeń), jak i związanych z gromadzeniem ładunku elektrycznego. Superkondensatory stosuje się wówczas jako buforujące magazyny energii elektrycznej zdolne do przejęcia chwilowych uderzeń mocy i do podtrzymania napięcia przy zaniku energii w sieci zasilającej.