POLITECHNIKA ŚLĄSKA Wydział Elektryczny Laboratorium Inżynierii Elektrycznej w Transporcie. Studia stacjonarne dwustopniowe Kierunek: Elektrotechnika Rok akademicki: 2009/2010 Semestr: V
Temat ćwiczenia: Zasobnik energii - superkondensator.
Studenci : Gabor Mateusz Strzoda Bartłomiej Gajda Wojciech Luba Marcin Popiół Mateusz	Grupa I Sekcja Prowadzący : Dr inż. Rafał Setlak Podpis prowadzącego :

1. Wstęp :

Superkondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego, który z uwagi na sposób konstrukcji wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną (rzędu kilku tysięcy faradów) 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 rozwiązaniami są przeprowadzane m.in. w prototypach samochodów hybrydowych lub do wspomagania zasilania robotów.

Superkondensatory serii MC i BC (do 3000 faradów pojemności) produkcji Maxwell Technologies.

Cel ćwiczenia :

Celem ćwiczenia było omówienie pojęcia stałej czasowej oraz zbadanie czasu ładowania oraz rozładowania badanego superkondensatora.

Pomiary wykonywaliśmy na superkondensatorze BPAK0058 15V firmy Maxwell Technologies.

1. Przebieg ćwiczenia :

Pierwszym naszym zadaniem było ładowanie superkondensatora oraz pomiar czasu od początku ładowania do osiągnięcia 63,2% napięcia maksymalnego, czyli :

U_C=63, 2%*U = 0, 632 * 15 = 9, 48 V - Do takiego napięcia ładowany był superkondensator w wyznaczonym czasie .

Czas ładowania t zmierzony przez nas wyniósł 133 s i jest to jednocześnie stała czasowa τ superkondensatora.

Czas rozładowania t superkondensatora wynosi : 3,32 s.

Pojemność kondensatora wynosi C=58 F, więc ładunek zgromadzony na jednej okładce kondensatora Q po czasie τ wynosi :

Q = C*U_C=58 * 9, 48 = 549, 8 C

Obliczenie energii zgromadzonej w kondensatorze w czasie ładowania t = τ :

$$\mathbf{W =}\int_{\mathbf{0}}^{\mathbf{Q}}\frac{\mathbf{q}}{\mathbf{C}}\mathbf{dq =}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{Q}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{C}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\mathbf{*C*}\mathbf{U}_{\mathbf{C}}^{\mathbf{2}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\mathbf{*58*}\mathbf{9,48}^{\mathbf{2}}\mathbf{= 2561,3\ J}$$

Obliczenie energii dostarczonej do kondensatora podczas ładowania w czasie t = τ :

E = U * I * t

Obliczamy prąd ładowania :

$$\mathbf{I =}\frac{\mathbf{\partial Q}}{\mathbf{\partial t}}\mathbf{= C}\frac{\mathbf{\partial}\mathbf{U}_{\mathbf{C}}}{\mathbf{\partial t}}\mathbf{= 4,06\ A}$$

E_pob=U * I * t = 15 * 4, 06 * 133 = 8099, 7 J

Moc dostarczona do kondensatora w tym czasie, wynosi :

$$\mathbf{P}_{\mathbf{\text{Pob}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{}\mathbf{E}_{\mathbf{\text{Pob}}}}{\mathbf{t}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{8099,7}}{\mathbf{133}}\mathbf{= 60,9\ W}$$

Następnie naładowany kondensator rozładowaliśmy poprzez przyłączenie opornika oraz zmierzyliśmy czas od rozpoczęcia rozładowywania, aż do osiągnięcia napięcia kondensatora równego 9,48 V.

Zmierzony czas ładowania t wynosi 123,35 s.

Zmierzony czas rozładowywania t wynosi 16,4 s.

Ładunek zgromadzony na jednej okładce kondensatora przy pełnym naładowaniu, wynosi:

Q_Max=C * U = 58 * 15 = 870 C

Energia zgromadzona w kondensatorze przy pełnym naładowaniu, wynosi:

$$\mathbf{W}_{\mathbf{\text{Max}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{Q}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{C}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\mathbf{*C*}\mathbf{U}^{\mathbf{2}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\mathbf{*58*}\mathbf{15}^{\mathbf{2}}\mathbf{= 6525\ J}$$

Energia oddana przez kondensator podczas rozładowywania w czasie t:

E_Odd=W_Max−W = 6525 − 2561, 3 = 3963, 7 J

Moc wydzielona podczas rozładowywania kondensatora w czasie t:

$$\mathbf{P}_{\mathbf{\text{Odd}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{}\mathbf{E}_{\mathbf{\text{Odd}}}}{\mathbf{t}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{3963,7}}{\mathbf{16,4}}\mathbf{= 241,9}\mathbf{W}$$

1. Wnioski.

1. Zarówno czas ładowania jak i rozładowywania superkondensatora w porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii jest bardzo krótki. Warto jednak podkreślić że czas ładowania jest znacznie większy niż czas rozładowania superkondensatora .

2. Napięcie na zaciskach superkondensatora zmienia się w czasie .

3. Superkondensator można stosować w urządzeniach wymagających dostarczania dużej mocy w krótkim czasie .