Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей
CAP-XX GA109
На портале Унитера мы уже знакомили наших читателей с ультратонкими суперконденсаторами от компании CAP-XX. Некоторые из опубликованных статей рассказывали о практических результатах использования этих компонентов в реальных схемах. В частности были рассмотрены преимущества их применения в качестве буферных элементов в мобильных устройствах с аккумуляторным питанием. В данной статье мы рассмотрим потенциал использования суперконденсаторов в системах с питанием от солнечных батарей.
 | |
| Рис. 1. | Сверхтонкие суперконденсаторы от CAP-XX. |
По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. Например, сверхтонкие суперконденсаторы компании CAP-XX при минимальной толщине (от 0.6 мм) обладают удельной емкостью, приближающейся к аккумуляторам. С другой стороны, они способны обеспечивать высокие разрядные токи и отличаются малым значением последовательного активного сопротивления (ESR), что роднит их с обычными конденсаторами. Благодаря перечисленным достоинствам, суперконденсаторы чаще всего применяются в качестве буферных элементов для обеспечения высоких пиковых токов в устройствах с импульсным потреблением.
Стоит отметить, что ярко выраженным импульсным характером потребления отличается большинство современных портативных устройств с аккумуляторным питанием (Рис. 2). Это значит, что электроника в таких системах находится в активном состоянии с высоким потреблением не постоянно, а периодически. Оставшееся время проходит в режиме сна, в котором питающий ток имеет минимальное значение.
 | |
| Рис. 2. | Импульсный характер потребления современных устройств. |
Если разница между пиковым и средним значением тока достаточно велика, то для продления жизни аккумуляторов рекомендуется использовать суперконденсаторы, о чем рассказывалось в одной из прошлых статей Унитеры. Примерами устройств с ярко выраженным импульсным потреблением являются светодиодные вспышки фотоаппаратов, устройства с GSM и GPRS приемопередатчиками, системы с картами памяти (PC и CF+). Например, приемопередатчик GPRS класса 10 в неактивном состоянии потребляет 100 мА, а во время передачи питающий ток возрастает до 2 А!
Смена батареек или заряд аккумуляторов в автономных устройствах является весьма затратным мероприятием. По этой причине все большее распространение получают системы питания с различными харвестерами энергии, в частности с использованием солнечных батарей. Однако из-за высоких значений импульсных токов в таких устройствах прямое использование маломощных солнечных батарей затруднено. Они могут легко обеспечить ток покоя, но не справляются с пиковыми нагрузками (Рис. 3). Впрочем, эту проблему можно решить с помощью суперконденсаторов.
 | |
| Рис. 3. | Солнечные батареи не подходят для прямого питания импульсной нагрузки. |
Суть решения заключается в том, что солнечная батарея постоянно подзаряжает буферный суперконденсатор (Рис. 4). Таким образом, энергия света не пропадает впустую, а накапливается, и при необходимости может быть передана в нагрузку. Суперконденсатор в данном случае подходит идеально, так как имеет минимальное значение последовательного сопротивления и способен обеспечить высокий импульсный ток.
 | |
| Рис. 4. | Использование суперконденсаторов для накопления солнечной энергии. |
Именно такой подход при построении системы питания использовали в своем макете Джулия Лим и Джин Марс (Рис. 5). Данное устройство представляет собой датчик Sensor Puck BLE с радиопередающим интерфейсом BLE, который питается от ультраконденсатора и солнечной батареи.
 | |
| Рис. 5. | Опытный макет для работы с Bluetooth-датчиком. |
Предложенная принципиальная схема имеет ряд особенностей (Рис. 6). Во-первых, для заряда ультраконденсатора от солнечной батареи используется дополнительный регулятор AEM10940. Он преобразует выходной ток солнечной батареи в зарядный ток ультраконденсатора и контролирует выходное напряжение на уровне 2.5 В. Во-вторых, контроль выходного напряжения производится с помощью триггера Шмитта, который построен на базе компаратора TLV3012. Компаратор управляет коммутацией нагрузки посредством транзистора BSP171P (M1). Благодаря этому звену обеспечивается гистерезис напряжения питания. Рассмотрим более подробно выбор компонентов.
 | |
| Рис. 6. | Схема тестового макета на базе суперконденсатора GA109 от CAP-XX. |
По замыслу разработчиков работа BLE-датчика должна обеспечиваться уже при силе света в 100 лк. Исходными данными к расчету являются параметры датчика. Используемый сенсор Sensor Puck BLE предназначен для измерения температуры, влажности, освещенности и передачи этих значений по Bluetooth на смартфон один раз в секунду. Допустимый диапазон напряжений питания для датчика составляет 2.0…3.0 В. Осциллограмма тока потребления (Рис. 7) имеет несколько пиков: два всплеска с током до 22 мА и длительностью около 1 мс, один импульс продолжительностью 120 мс и средним значением 4.5 мА, еще один импульс длительностью 1 мс и амплитудой 15 мА.
 | |
| Рис. 7. | Просадка напряжения при недостаточном уровне освещения. |
Для питания датчика выбран ультратонкий призматический суперконденсатор GA109 с номинальным напряжением 2.5 В, ESR 40 мА, емкостью 170 мФ и пиковым током до 30 А. С учетом этих значений можно определить просадку напряжения в течение периодов активности датчика.
Для импульсов 22 мА: ΔV (22 мА) = 22мА × 1мс / 170мФ + 22мА × 40мОм = 1мВ
Для импульсов 4.5 мА: ΔV (4.5 мА) = 4.5мА × 120мс / 170мФ + 4.5мА × 40мОм = 5мВ
Для импульсов 15 мА: ΔV (15 мА) = 15мА × 1мс / 170мФ + 15мА × 40мОм = 0.7мВ
Таким образом, суммарная просадка напряжения составит около 7.7 мВ за период. Эти расчеты подтверждаются осциллограммами, полученными в процессе тестирования (Рис. 7).
Для заряда ультраконденсатора применяется солнечная батарея с выходным током до 420 мкА. Если посчитать средний ток системы, то окажется, что он равен почти 600 мкА, что больше, чем способна обеспечить солнечная батарея при заданном уровне освещенности. В результате напряжение на конденсаторе постепенно снижается (Рис. 7). Чтобы не допустить критического разряда, используется триггер Шмитта, который отключает нагрузку при проседании напряжения. Однако при этом приходится учитывать начальный бросок тока при включении и инициализации датчика.
При включении BLE-датчика наблюдается бросок тока амплитудой 12 мА и длительностью 2.1 с. Не сложно посчитать, что просадка напряжения составит ΔV = 12мА × 2.1с / 170мФ + 12мА × 40мОм = 117мВ. Чтобы гарантировать не только начальную инициализацию сенсора, но и обеспечить передачу нескольких сообщений, гистерезис выбирается с запасом и составляет 200 мВ.
В рассматриваемой схеме триггер Шмитта включает транзистор M1, когда напряжение на суперконденсаторе достигнет 2.4 В. Если напряжение уменьшится до 2.2 В, то нагрузка будет отключена.
Такой подход позволяет использовать схему при разных уровнях освещенности, в том числе и при заданном значении в 100 лк (Рис. 8). Даже при таком скудном освещении заряд суперконденсатора с 0 В произойдет за 45 часов, после чего датчик сможет повторно перезаряжаться от 2.2 В до 2.4 В за 2.6 часов.
 | |
| Рис. 8. | Зарядная кривая суперконденсатора GA109 при силе света 100 лк. |
В случае с типовыми помещениями следует ожидать более высокого уровня освещения. Например, для офисов, супермаркетов и квартир освещение составляет ориентировочно 650 лк. В таких условиях заряд суперконденсатора от 0 В произойдет за 31 минуту, а повторный перезаряд от 2.2 В до 2.4 В произойдет и вовсе за 2 минуты 5 секунд (Рис. 9).
 | |
| Рис. 9. | Зарядная кривая суперконденсатора GA109 при силе света 650 лк. |
Представленное решение имеет очень высокий интерес для комнатных приложений и устройств с питанием от солнечных батарей, работающих в офисах, торговых залах и аналогичных помещениях. Благодаря суперконденсаторам удается обеспечить работу беспроводных устройств даже при малом выходном токе солнечных батарей и при минимальном уровне освещенности.
Источник
Суперконденсаторы в системах микрогенерации на базе солнечных батарей
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 25.08.2017 2017-08-25
Статья просмотрена: 883 раза
Библиографическое описание:
Белых, С. С. Суперконденсаторы в системах микрогенерации на базе солнечных батарей / С. С. Белых. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 34 (168). — С. 5-9. — URL: https://moluch.ru/archive/168/45457/ (дата обращения: 18.06.2021).
В настоящей статье описывается структура малой СЭС для частного домовладения, представлено описание ее структуры и состава оборудования, рассмотрены преимущества от применения в составе системы аккумулирования суперконденсаторов на основе графена.
Ключевые слова: распределенная генерация, возобновляемые источники энергии, солнечная энергетика, суперконденсатор, графен, микрогрид
This article concepts the structure of Solar Station for private households, describes its structure and composition of equipment, discusses the advantages of using graphene based supercapacitors as part of a storage system.
Keywords: distributed generation, renewable energy sources, solar energy, supercapacitor, graphene, microgrid.
Развитие солнечной генерации в мире
Согласно данным исследований, опубликованных в «Энергетическом Бюллетене» от января 2017 г., Солнечная энергетика показывает быстрые темпы развития с ожидаемым выходом к 2040 году на уровень 6,2 % мирового производства электроэнергии, хотя на сегодня это и небольшой показатель, но ее роль стремительно растет. При этом в последнее время она получает распространение не только благодаря принимаемым мерам государственной поддержки, но и по причине видимых результатов ее развития — технологической зрелости отрасли, и в отдельных случаях, высокой экономической конкурентоспособности. Россия пока имеет достаточного количества мощностей на базе солнечной генерации, как например крупнейшая десятка стран, эксплуатирующих СЭС в своих энергосистемах, лидирующее положение среди которых занимают Германия или Китай. В России данная отрасль находится в начальной стадии развития, а солнечные электростанции в отличие от Европы строятся не повсеместно, а в регионах с наиболее благоприятными природно-климатическими условиями и в изолированных районах, где использование ВИЭ характеризуется высокой эффективностью. [1]
Меры по стимулированию солнечной генерации в России
19 июля 2017 г., вице-премьер Аркадий Дворкович одобрил план по стимулированию микрогенерации на основе возобновляемых источников энергии. В этом документе идет речь о солнечных панелях и мини-ветряках мощностью до 15 кВт, излишки вырабатываемой мощности которых потребители, в том числе и население, смогут продавать в сеть. Подобная мера стимулирования в рамках принятой в Германии в 1999 г. программы «100 000 солнечных крыш», показала свою эффективность, сделав установку солнечных батарей на крышах жилых домов весьма выгодным бизнесом. Согласно документу, гарантирующие поставщики (основной энергосбыт региона) будут обязаны выкупать объемы электроэнергии, и эти доходы не будут облагаться налогами. [2]
Солнечная энергия — применимость для микрогенерации
Солнечное излучение исходит от Звезды с яркостной температурой около 6000 о С, что делает его с термодинамической точки зрения, высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии (электроэнергия, тепло, холод) с высоким КПД. Однако существенными ее недостатками, с технической точки зрения, являются нестабильность (суточная, сезонная, метеорологическая) и относительно небольшая плотность энергетического потока: за пределами Земной атмосферы интенсивность солнечного излучения составляет 1,4 кВт/м 2 , на земной поверхности в ясный полдень эта величина будет уже около 1 кВт/м 2 , а в среднем за год (с учетом ночных часов и погодных условий) от 150 до 250 Вт/м 2 , что тем не менее соответствует ежегодному поступлению на 1 м 2 земной поверхности энергии, эквивалентной 150–250 кг у. т. (1 кг условного топлива = 8,141 кВт*ч). Эти свойства солнечного излучения затрудняют создание эффективных энергетических устройств, поскольку требуется большая площадь для приемников солнечного излучения и создание массивных хранилищ на основе аккумуляторов энергии. В результате, стоимость солнечных установок получается высокой, что снижает их конкурентоспособность по отношению к традиционным энергоустановкам, использующим дешевое органическое топливо. [3]
С появлением мер государственной поддержки, описанных выше, размещение солнечных панелей на крышах частных жилых домов может стать экономически выгодным для населения РФ, что подстегнет рост доли ВИЭ в общем энергобалансе страны. Но помимо налоговых льгот и возможности заработка от продажи излишков энергии в сеть, экономическая эффективность мини-СЭС напрямую зависит от себестоимости всей установки.
Структура крышной СЭС
На Рис.1 показана структурная схема малой СЭС для размещения на крыше сельского дома, которая включает в себя:
Рис. 1. структура малой СЭС
На сегодняшний день, в Российской Федерации локализовано производство солнечных панелей более чем десятью компаниями, крупнейшими из которых являются:
– ЗАО «Телеком-СТВ», завод в г. Зеленоград
– ООО «Хевел», завод в г. Новочебоксарск
Локализация производства остального оборудования (контроллер заряда, аккумуляторные батареи, инвертор, силовое оборудование для солнечных панелей) находится на начальном этапе или вовсе отсутствует (инверторы, силовое оборудование для постоянного тока). Данное обстоятельство влияет на выбор оборудования, в большинстве случаев, решение принимается в пользу комплектующих иностранного производства, и это является фактором удорожания всей системы. Энергия, полученная от солнечных батарей, направляется на зарядку аккумуляторов, и только после попадает к потребителю. Соответственно крупную составляющую в общей стоимости малой СЭС имеют аккумуляторные батареи, на которые приходится больший удельный вес в системе, чем на остальное оборудование. Применение аккумуляторных батарей в большом количестве необходимо по нескольким причинам: — обеспечивают сглаживание неравномерности поступления энергии (в облачную погоду). — гарантированное энергоснабжение потребителя в моменты отсутствия солнечного излучения (ночью и в пасмурные дни).
Хранение энергии комбинированным способом — с применением суперконденсаторов и аккумуляторных батарей
Накопитель энергии является ключевым компонентом для создания устойчивых энергетических систем. Современные технологии производства электроэнергии, базирующиеся на базе ВИЭ, такие как солнечные панели и ветротурбины, генерируют энергию устойчивым и экологически чистым способом. Однако их прерывистый характер все еще мешает им стать первичным носителем энергии. Технологии хранения энергии с применением суперконденсаторов способны компенсировать проблему прерывистости возобновляемых источников энергии путем быстрого аккумулирования генерируемой прерывистой энергии, с последующей возможностью сделать ее доступной в большом количестве по требованию. Электротранспорт является ярким примером того, как технологии хранения энергии, базирующиеся на современных материалах, могут превратить транспортную систему в более устойчивую модель. На сегодняшний день основная ставка в быстром накоплении энергии сделана на суперконденсаторы на основе графена. Французская компания Adgero представила грузовой прицеп, оснащённый рекуперационной системой UltraBoost ST с суперконденсаторами SkelMod 50F 160V производства компании Skeleton Technologie, изготовленными на основе графена. Благодаря повторному использованию кинетической энергии прицеп позволяет тягачу экономить до четверти объема топлива. [4]
Суперконденсатор на основе графена
Графен — это двухмерный кристалл углерода: его слой толщиной всего в один атом. Впервые этот материал смогли синтезировать физики Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета и провели серию экспериментов, в 2010 году они получили за свои опыты Нобелевскую премию. Графен обладает высокой прочностью, теплопроводностью и наибольшей подвижностью электронов среди всех известных материалов.
Главная особенность суперконденсаторов (ионисторов) — очень высокая скорость заряда и разряда, но по плотности заряда они ощутимо уступают традиционным аккумуляторам. Использование графеновых электродов позволяет серьезно повысить этот показатель, хотя и в этом случае конденсаторы уступают современным литий-ионным аккумуляторам. Как правило, такие ионисторы имеют плотность энергии 15–35 Вт*ч/кг — примерно, как у свинцово-кислотных батарей. Лучшие лабораторные образцы этих конденсаторов сейчас способны обеспечить плотность энергии около 83 Вт*ч/кг. Теоретически возможен рост еще примерно вдвое, но современные литий-ионные аккумуляторы уже сейчас имеют плотность энергии свыше 200 Вт*ч/кг.
Новая конструкция суперконденсатора, предложенная специалистами
из Nanotek Instruments Inc. (США), имеет электроды, состоящие из графена с примесями повышающего проводимость ацетилена и связующего вещества PTFE. В качестве электролита использовалось вещество, известное в электрохимии как EMIMBF4. Подробная структура графенового суперконденсатора приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структура суперконденсатора
Плотность заряда такого устройства по порядку сравнима с никель-металлогидридными батареями. Если говорить о цифрах, то плотность энергии в созданном устройстве — порядка 85,6 Вт×час/кг при комнатной температуре и порядка 136 Вт×час/кг при 80 градусах по шкале Цельсия [5]. В суперконденсаторе энергия хранится электростатически на поверхности материала и не связана с химическими реакциями в нем. Учитывая этот фундаментальный механизм, суперконденсаторы могут быстро заряжаться, что приводит к очень высокой скорости заряда без утраты возможности хранения с течением времени. Суперконденсаторы могут выдерживать миллионы циклов заряда / разряда, не теряя своих характеристик по емкости, что является существенным преимуществом перед аккумуляторными батареями с химическими электролитами. Основным недостатком суперконденсаторов является их сравнительно низкая плотность накопления энергии, что означает меньшую плотность хранения энергии на единицу массы, особенно по сравнению с обычными батареями. Кроме того, стоимость материалов суперконденсаторов часто превышает стоимость материалов для батарей из-за повышенной сложности создания высокопроизводительных материалов суперконденсаторов. Однако недавние успехи в создании новых материалов для суперконденсаторов, таких как графен, и совершенствовании методов их производства вскоре могут свести к минимуму разрыв в плотности заряда, по сравнению с аккумуляторными батареями.
Две технологии хранения, батарея и суперконденсатор представляют собой противоположные по характеристикам способы накопления энергии. Батарея представляет собой «медленного» и устойчивого поставщика энергии для «длительных» во времени энергетических потребностей, а суперконденсатор представляет собой «быстрого» поставщика энергии, который быстро заряжается и разряжается для мгновенных энергетических потребностей. Тем не менее, вместо того, чтобы рассматривать их как конкурирующие технологии, может быть более полезно рассматривать их как дополняющие технологии: Суперконденсаторы из Maxwell Technologies (NASDAQ: MXWL) в настоящее время используются в китайских гибридных автобусах. Суперконденсаторы заряжаются, когда автобус тормозит, а затем разряжается, чтобы ускорить разгон автобуса. Тем не менее, суперконденсаторы сами по себе не могут поддерживать энергетические потребности автобуса. Электрические автомобили Tesla полностью работают на батареях, но вес и габариты батареи значительно ограничивает диапазон автомобиля, поскольку большая часть электроэнергии используется во время ускорения. Если эти две технологии будут объединены, улучшенный электрический автомобиль будет ускоряться с использованием суперконденсаторов, что уменьшит количество требуемых батарей, уменьшит вес автомобиля и тем самым расширит диапазон [6].
Схожая с вышеописанной ситуация имеет место с выработкой и мгновенным потреблением энергии, наблюдающемся в системах энергоснабжения на базе ВИЭ, что является их основным недостатком на сегодняшний день, и препятствует повсеместному их распространению в распределенной генерации [7].
Современные драйверы эффективности ВИЭ в РФ
Применение гибридных накопительных систем на базе суперконденсаторов и аккумуляторных батарей, в составе систем микро-генерации «Микрогрид» для частных домовладений, с учетом вводимых мер Государственной поддержки по ВИЭ, позволяет получить устойчивые и гибкие системы гарантированного энергоснабжения потребителей. Внедрение и эксплуатация систем генерации на базе ВИЭ, помимо экологического эффекта, может принеси дополнительную выгоду для государства от экспорта вытесненных «излишков» углеводородных энергоресурсов, на основе которых осуществляется генерация традиционными способами. Например, на территории России газ является субсидируемым видом топлива, т. е. для внутренних потребителей он продается по более низким ценам, чем на экспорт. Путем вытеснения некоторого объема газа, обычно сжигаемого на ТЭС и ТЭЦ по всей территории РФ, и последующей его продажей на экспорт будет достигнут ощутимый экономический эффект от ВИЭ уже в ощутимых масштабах. [8]
Источник