1

1. Wiadomości ogólne

Reagując na zapotrzebowanie rynku na alternatywne i ekologiczne (bezołowiowość)

komponenty do gromadzenia energii elektrycznej, firmy produkujące kondensatory

wprowadziły nowy ich rodzaj – kondensatory dwuwarstwowe SuperCap (SuperCap C

obudowa cylindryczna oraz SuperCap R obudowa w kształcie sześcianu).

Superkondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego, który z uwagi na

sposób konstrukcji wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną w porównaniu do

klasycznych kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności.

Największą zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładowania w

porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np. akumulatorami). Dlatego

też, superkondensatory są coraz częściej stosowane równolegle z innymi źródłami energii, np.

ogniwami paliwowymi, w celu krótkotrwałego dostarczania mocy szczytowej, co pozwala na

znaczne zmniejszenie rozmiarów całego układu. Próby z takimi rozwiązania są

przeprowadzane m.in. w prototypach samochodów hybrydowych lub do wspomagania

zasilania robotów.

2

2. Technologia

Technologia superkondensatorów jest oparta na wykorzystaniu węgli aktywnych lub

węglowych aerożeli. Węgle aktywne wykazują dobre własności porowate, nawet do 2500

m²/g i wykorzystane są do konstrukcji elektrod o dużej powierzchni właściwej.

Kondensator SuperCap jest czymś pomiędzy kondensatorem i baterią elektryczną. W

przeciwieństwie do innych typów kondensatorów nie posiada dielektryka. Zbudowany jest z

wielu pojedynczych elementów połączonych szeregowo, z których każdy składa się z dwóch

warstw węgla aktywnego, zwilżonych elektrolitem. Warstwy węgla są oddzielone

separatorami, przepuszczającymi jony i zamknięte w hermetycznej osłonie gumowej.

Gdy do kondensatora przyłożone zostanie napięcie, to cząstki węgla w warstwie

anodowej zostają naładowane dodatnio, a katodowej ujemnie, wówczas jony ujemne

elektrolitu wędrują przez separator i zbierają się wokół dodatnich cząstek węgla. Podobnie

zbierają się dodatnie jony w warstwie katody.

W ten sposób można gromadzić duże ładunki elektryczne. 1 gram proszku węglowego

może teoretycznie dać pojemność od 200 do 400 faradów.

Ponieważ elektrolit komórek zawiera wodę, to maksymalna wytrzymałość elektryczna

wynosi 1,2V na komórkę. Powyżej tego napięcia woda ulega hydrolizie na tlen i wodór.

Kondensatory te mają wysokie ESR (Equivalent Series Resistance tj. zastępcza rezystancja

szeregowa) od 1 do 300Ω, które w znaczny sposób ogranicza prąd rozładowania. Można je

naładować w ciągu 1min i mają czas życia dłuższy niż 10000 cyklów naładowania i

rozładowania lub 10 lat pracy z doładowaniem. Prąd upływu (samorozładowania) wynosi ok.

1µA, co powoduje, że po upływie jednego miesiąca na kondensatorze jest w dalszym ciągu

ok. 50% napięcia. Duża zależność od temperatury powoduje, że w zakresie od -25 do +70ºC,

pojemność zmienia się od -50 do +150%. ESR przy -25ºC jest 3 razy wyższe, niż w

temperaturze pokojowej. Kondensatory te są niepolaryzowane, ale to doprowadzenie, które

połączone jest z obudową, zaleca się jako biegun ujemny.

3

3. Zastosowanie superkondensatorów

Superkondensatory mogą służyć do oszczędzania energii w pojazdach, pozwalając

wyłączać silnik po zatrzymaniu samochodu i błyskawicznie go następnie uruchamiać

zaledwie „dotknięciem” pedału. Pozwalają także hamować regeneracyjnie, odbierając do

przechowania energię hamowania, co znacznie zwiększa sprawność energetyczną pojazdu i

redukuje zanieczyszczanie powietrza. Ocenia się, że zatrzymywanie silnika i hamowanie

regeneracyjne zmniejsza zużycie paliwa o 7-15%, a zmniejszenie emisji zanieczyszczeń

powietrza przekracza 90%, w tym tlenków azotu 50%.

Użycie superkondensatorów w pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi jest

również bardzo korzystne. Ogniwa te, o ile są wystarczająco duże (a więc kosztowne),

dynamicznie radzą sobie z obciążeniami impulsowymi. W hybrydowym połączeniu ogniw

paliwowych z superkondensatorami, dzięki zdolności do szybkiego rozruchu i odzysku

energii hamowania, system staje się znacznie bardziej opłacalny.

Silnik elektryczny charakteryzuje się wielkim momentem przy niskich obrotach – to

jest jego główną zaletą w zastosowaniach trakcyjnych – idealnie więc nadaje się do silnego

przyspieszania przy rozruchu. Ale przy wyższych obrotach, gdy pojazd już przyspieszył,

silnik spalinowy doskonale wypełnia swoje zadanie. Taka hybryda w optymalny sposób

wykorzystuje charakterystyki obu silników. A superkondensatory doskonale nadają się do

zastosowań, wymagających krótkich impulsów dużej mocy, przedzielanych dłuższymi

okresami małej mocy. Często używa się dwóch napędów optymalnie zespolonych z punktu

widzenia mocy i energii. Takim modelem jest „magazynowanie mocy”, w którym

superkondensator jest dobierany do maksymalnej mocy szczytowej, a podstawowe źródło

energii do maksymalnej mocy ciągłej. Źródłem tym może być silnik spalinowy, akumulatory

o dużej pojemności, lub ogniwa paliwowe. Przy optymalnym wykorzystaniu obu składników

superkondensator ma dostarczać różnicę mocy szczytowej i mocy ciągłej.

4

4. Zalety superkondensatorów



bardzo duża szybkość ładowania/rozładowania (w porównaniu do baterii i

akumulatorów),



niewielka degradacja własności przy wielokrotnym rozładowaniu i ładowaniu (nawet

do miliona cykli),



duża sprawność cyklu (95% i więcej),



wysoką żywotnością, przeciętnie do 1 miliona cykli,



czas ich technicznego życia jest dłuższy niż pojazdu/urządzenia, w którym są

zainstalowane,



są bezobsługowymi komponentami typu „zainstaluj i zapomnij”, o niskich kosztach

eksploatacji,



mają znacznie mniejszą ESR niż akumulatory, dobrze działają w niskiej temperaturze,

nawet do –40ºC,



mają wysoką sprawność (84-95% wobec 70% sprawności akumulatorów w takich

samych warunkach),



mogą impulsowo wspomagać przyspieszenie pojazdu z mocą do dziesięciu razy

wyższą niż akumulatory,



ułatwiają tworzenie rozproszonych systemów zasilania, które upraszczają

okablowanie i są tańsze,



są przyjazne środowisku, bowiem w 70% podlegają recyklingowi i nie zawierają

metali ciężkich.

5

5. Wady superkondensatorów



ilość zgromadzonej energii na jednostkę masy urządzenia jest ciągle o rząd wielkości

niższa (5 Wh/kg) niż dla źródeł chemicznych (40 Wh/kg),



zmienna wartość napięcia na zaciskach superkondensatora (napięcie spada

wykładniczo przy rozładowaniu). W celu efektywnego wykorzystania energii niezbędne są

skomplikowane układy elektroenergetyczne.

6

6. Fakty o superkondensatorach

Kondensatory te produkuje się o pojemnościach od 10mF do 22F, ale prace

rozwojowe wskazują na możliwość wytwarzania jeszcze większych pojemności. Stosowane

są niemal wyłącznie jako rezerwa napięcia m.in. w układach pamięciowych i

mikroprocesorowych. Używa się ich również do przechowywania energii w krótkich okresach

czasu np. jako dodatkowa energia, żeby uruchomić silnik, przyciągnąć przekaźnik albo

wygenerować impuls zapłonowy.



są stosowane w module hamulcowym hybrydowego samochodu Toyota Prius,



użyto ich w hybrydowym samochodzie VW z ogniwami paliwowymi,



zastosowane są także w opracowywanych od lat samochodach Honda Civic IMA i FCX-

V3,



znajdują się we wprowadzonej przez firmę Nissan do sprzedaży w Japonii hybrydowej

ciężarówce elektryczno-dieslowskiej z hamowaniem regeneracyjnym i wspomaganiem

rozruchu,



zostały zastosowane w lansowanym przez firmę Man elektryczno-dieslowskim autobusie

miejskim z regeneracyjnym systemem hamulcowym,



w wersji na napięcie 200V zostały użyte w hybrydowym BMW X5 do hamowania

regeneracyjnego.

7

7. Zakończenie

Superkondensatory w zastosowaniach samochodowych są długowieczne i odporne i

mogą dostarczać dużej mocy w szerokim zakresie temperatury przy małych wymaganiach

serwisowych, zarówno w systemie napędowym jak i w systemie zasilania rozłożonego. Z

uwagi na ich małą dostępność i wysoki koszt superkondensatory nie były dotychczas

używane w przemyśle motoryzacyjnym. Dzięki ich coraz szerszemu zastosowaniu w

elektronice i przemyśle ich dostępność wzrasta. Są obecnie produkowane przez wielu

producentów z Azji, Europy i USA.

8

Literatura

-

http://www.bezsamochodu.pl.tl/Superkondensator-jako-akumulator-energii-_-

zastosowania.htm?PHPSESSID=8f7457dea958c2196698d41ed26319a2

- ELFA Informacja o produktach – Nieco teorii z katalogu ELFA – ELFA AB 2004

-

http://www.wima.com/en_index.php