W003334 Дипломная работа Разработка гибридного источника тока для мобильных устройств связи

3400 руб. 1890 руб.

В корзину

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………. 10

1 Характеристики и типы мобильных устройств………………………

1.1 Обзор мобильных устройств …………………………………….…

1.2 Требования к источнику тока для мобильных устройств……………

1.3 Способы аккумулирования энергии ………………………………….

1.3.1 Общее описание вопросов и методик аккумулирования энергии…

1.3.2 Электрохимическое аккумулирование энергии………………….….

1.3.3 Рассмотрение диаграммы Рагона и суперконденсаторов……….….

2 Анализ существующих источников питания и принцип действия….

2.1 Электрохимический двухслойный конденсатор. (EDLC)……………

2.2 Развитие углеродистых материалов для аккумулирования………….

2.3 Углеродистые материалы для литиево-ионных батарей……………

2.4 Карбон в качестве материала для суперконденсаторов……………

2.5 Гибридный суперконденсатор …………………………………….….

3 Разработка суперконденсатора на основе углерода………………….

3.1 Типы электрических накопителей суперконденсаторов……………

3.2 Установление зависимости электрохимических параметров СК на основе смеси нанопористого углерода и термически расширенного графита от концентрации компонентов указанной смеси………….

4 Обоснование экономической эффективности дипломного проекта………………………….…………………………………….… 57

4.1 Определение трудоемкости выполнения НИР………………………

4.2 Расчет затрат на выполнение НИР…………………………………….

4.3 Определение договорной цены НИР………………………………….

4.4 Оценка социально — экономических результатов выполнения НИР……………………………………………………………………… 63

5 Безопасность жизнедеятельности………………………………….….

5.1 Меры безопасности при работе с высокими температурами………

5.2 Электробезопасность………………………………………………… 68

5.3 Расчет одиночного заземления…………………………..……………

5.4 Пожарная профилактика…………………………………………….…

Заключение…………………………………………………………………. 73

Список использованной литературы…………………………………………

Приложение…………………………………………………………………… 79

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность дипломного проекта. Продление срока службы батарей – основная задача всех производителей потребительской электроники, от сотовых телефонов до портативных компьютеров. Однако, несмотря на добавление внешних источников, солнечных панелей, химических элементов, из-за дороговизны и громоздкости подобных решений достичь заметных успехов пока не удалось.

Самыми популярными аккумуляторами для портативных устройств являются сегодня литиевые и литий-ионные батареи. Начало массовому использованию литиевых батарей положила технология, предложенная компанией Sоnу в 1991 году. С тех пор данная технология завоевала популярность и стала активно применяться в ноутбуках, цифровых камерах и мобильных телефонах. Компактные размеры, малый вес и большая экономичность – эти достоинства позволяют батареям осваивать всё новые рубежи.

Однако литиевые батареи весьма недешевы, так как содержат дорогой компонент – кобальт. Кроме того, литиевые батареи больших размеров могут быть крайне опасны из-за риска перегрева. Одним из альтернативных источников питания для мобильных устройств может служить аккумулятор на основе графена, так называемый суперконденсатор.

Разработка источника тока на основе суперконденсатора, как одного из перспективных направлений, рассмотрена в данной работе.

Энергия приводит в движение развитие природы и людей с самого начала созидания. Однако, современная цивилизация наряду с промышленной революцией быстро ускоряет потребление не возобновляемой энергии ископаемого топлива и приводит к серьезному выбросу парникового газа экологическое загрязнению.

С точки зрения энергетики нетрадиционных источников появится много вариантов, таких как биологическое топливо, гидроэнергия, энергия ветра, геотермальная энергия и так далее. Геотермальная энергия добывается из теплоты земли, которая чиста и "свободна". Однако, это не практично, строить геотермальную электростанцию где угодно, и не может быть проигнорирована потенциальная опасность выбросов. Ветряная и гидроэнергия играют критически важную роль в мире в качестве коммерческого использования энергии.

Ожидается, что энергия ветра будет составлять наибольший абсолютный прирост в возобновляемой выработке, 40,0 % роста в возобновляемой выработке с 2013 до 2038, перемещая гидроэнергетику и становясь наибольшим источником возобновляемой выработки к 2040. Однако, строительство ветростанций дорого и зависит от местоположения со специальными геологическими и климатическими условиями.

Биомасса и биологическое топливо – потенциальный способ произвести высококачественную энергию, например, спирт, биодизель из возобновляемых источников, однако, обработка биомассы дорога и неэффективна. Кроме того, из-за низкого конверсионного КПД Коэффициент полезного действия, биологическое топливо обычно должно смешиваться с другим топливом, чтобы снабдить энергией машины должным образом, которые требуют намного больше топлива, чтобы сделать ту же самую работу как при использование обычных топлив, и это также создает собственные проблемы охраны окружающей среды.

Несмотря на все упомянутые выше энергетические ресурсы, изменчивость этих источников привела к проблемам относительно надежности источников энергии. Поскольку солнце не светит в течение ночи, и ветер не постоянен в конкретном местоположении, имеется насущная необходимость к расширению аккумулирования энергии как существенного компонента будущих устройств энергии. Однако, эта часто характеризованная "потребность" в аккумулировании энергии от источников возобновляемой энергии является фактически сложным вопросом, не только имеющим технически временные сложности, индустриального цикла обращения энергии, но также и экономическую и политическую подоплеку.

Количество накопления или любой другой вид используемой концепции зависит от затрат и преимуществ каждой концепции относительно других вариантов.

Мобильные устройства охватывают все больше сфер деятельности человека, растет их функциональность и, соответственно растут требования к источникам питания.

Источники питания – капиталоемкая индустрия с продажами, где по прогнозам только в США оборот составит – $4,8 миллиардов к 2020 году, больше чем $4,1 миллиардов в 2015. Литий-ионные перезаряжающиеся батареи будет иметь самый большой рост, с Compound Annuаl Grоwth Rate (CAGR) – Составным ежегодным темпом роста почти 12 %, и превосходить щелочные доступные батареи, как главный сегмент аккумуляторов бытовой категории на данный момент

Перезаряжающиеся источники питания продолжают быть стремительно растущей частью рынка, наряду с ростом рынка мобильных устройств.

Несмотря на огромные масштабы электрификации во всем мире, роль Химических источников тока (ХИТ) в нашей жизни не только не ослабевает, но и усиливается с каждым годом. Это связано с таким важным свойством, как автономность, то есть отсутствует необходимость в протягивании проводов, как это делается в случае электростанций. Поэтому ХИТ широко используют для энергоснабжения самых разнообразных мобильных объектов

Разработка альтернативных, экологически чистых способов аккумулирования энергии является одной из актуальнейших проблем стоящих перед человечеством и в данной работе дан анализ, как существующих широко распространенных источников питания, но и рассмотрен вопрос разработки альтернативного источника тока на основе так называемых гибридных аккумуляторов, которые вполне могут составить серьезную конкуренцию литиевым аккумуляторам. Этот тип конденсаторов известен в разных источниках также под названием суперконденсатор, или ультраконденсатор.

Суперконденсаторы получили широкое применение в транспортной индустрии (рекуперация торможения, облегченный запуск двигателя, электрическая стабилизация системы), промышленности (автопогрузчики, лифты), а также потребительской электронике (мобильные телефоны, компьютерные компоненты). Современные суперконденсаторы должны обладать высоким ресурсом службы – порядка 700000 циклов, что соответствует от 5 до 20 лет работы в зависимости от степени нагрузки; малой себестоимостью при расчете на один цикл использования – как энергии, так и мощности; возможностью работать в критических условиях как высокая амплитуда токов, перепады напряжения, экстремальные температурные условия экологичностью.

Особенностью Elесtriс Double Lауеr Cарасitоr (EDLC) - Электрический двухслойный конденсатор – является высокая емкость конденсатора с емкостными значениями гораздо выше, чем другие конденсаторы, но с более низкими пределами напряжения, средними между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями.

EDLC обычно хранят в 10, 100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут заряжаться и разряжаться гораздо быстрее, чем батареи, и выносить гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем аккумуляторные батареи.

В настоящее время суперконденсатор используются в устройствах, требующих много циклов быстрого заряда/разряда, а не долгосрочного компактного хранения энергии. В электромобилях, автобусах, поездах, кранах и лифтах они используются в качестве рекуперативного торможения либо кратковременного хранения энергии при обрыве подачи питания. Миниатюрные блоки используются в качестве резервной копии памяти для статической оперативной памяти.

Научная новизна дипломного проекта заключается в том что будет осуществляться связка конденсатора и химической батареи, так называемый гибридный аккумулятор, способен совместить достоинства двух технологий и в конечном итоге полностью вытеснить литий-ионный аккумуляторы, как источники тока мобильных устройств в виду очевидных преимуществ, где зарядка будет осуществляться в сотни раз быстрее, а количество циклов заряда и разряда будет на порядки выше вкупе с большей емкостью подобных гибридных решений.

Оценка современного состояния решаемой научной проблемы. До настоящего времени ограничения использования гибридных аккумуляторов на основе EDLC в мобильных устройствах были связаны с размерами и дороговизной массового тиражирования подобных изделий.

Цели данной работы состоит в разработке гибридного источника тока на мобильных устройствах. В связи с этим поставлены следующие задачи:

– рассмотреть типы мобильных устройств;

– изучить способы аккумулирования энергии;

– произвести анализ существующих источников тока и их принцип действия;

– произвести расчет суперконденсатора на основе углерода;

– привести технико-экономическое обоснование проекта;

– привести мероприятия по безопасности жизнедеятельности.

Предметом исследования является совокупность теоретических, методологических, практических и экономических аспектов развития гибридных аккумуляторов.

Теоретической основой дипломной проекта являются направления научных исследований, ведущих мировых ученых в области нанотехнологий суперконденсаторов, таких как Кузнецов В., Панькина О., Мачковская Р., Шувалов Е, Востриков И. [3], Pаsquiеr A. Du, Plitz I., Gural J., Mеnосаl S., Amаtuссi G. [5], М.А. Дасоян, В.В. Новодережкин [12], а также труды других авторов по данной тематике.

Методологическую основу дипломной проекта составляют научно-исследовательские и практические труды таких авторов, как Conway B.E. Trаnsitiоn frоm "Supercapacitor" tо "Bаttеrу" bеhаviоr in electrochemical Enеrgу Stоrаgе // J. Electrochem. Sос. 1991. V.138, Вольфкович Ю.М., Сердюк Т.М. Электрохимические конденсаторы // Электрохимическая энергетика. 2001. Т.1 №4 Гинделис Я. Е. Химические источники тока.: Издательство Саратовского университета, 1984.

Практическая база выполнения дипломного проекта – научно-исследовательские и учебные лаборатории при кафедре радиотехники, электроники и телекоммуникаций Евразийского Национального Университета им. Л.Н. Гумилева.

Дипломный проект состоит из введения, основной части заключения, списка использованной литературы, приложений, аббревиатуры. Основной раздел дипломной работы состоит из 5 глав.

Объем дипломного проекта: введение – 5 страниц, основная часть – 66 страниц, заключение – 4 страницы, список использованной литературы – 44, приложения – 2.

Введение включает в себя обоснование актуальности темы дипломного проекта, оценку современного состояния решаемой научной проблемы, практическую значимость, исследовательскую новизну, цель, основные задачи, объект, теоретическую и практическую основы дипломного проекта и практическую базу выполнения дипломного проекта. Также подробно указана структура и объем дипломного проекта.

Основная часть состоит из 5 глав, в которых приводятся данные, отражающие сущность, содержание, методику и основные результаты выполненной работы.

В дипломном проекте было сделано подробное обоснование и выбор источника тока для мобильных устройств на основе суперконденсатора.

В первой главе дан обзор мобильным устройствам, их характеристикам и требованиям к источнику тока. Также дан обзор существующих способов аккумулирования энергии и существующих типов источников питания на основе диаграммы Рагона. До настоящего времени ограничения использования гибридных аккумуляторов на основе EDLC в мобильных устройствах были связаны с размерами и дороговизной массового тиражирования подобных изделий.

Характеристики таких источников тока, определяются параметрами окисноникелевого электрода, и соответственно характеристиками гидроксида никеля. Условия работы суперконденсатора (быстрый заряд-разряд) предъявляют специальные требования к активному веществу фарадеевского электрода.

Во второй главе дан анализ источникам питания и описаны принципы действия, а также обоснование выбору суперконденсатора, как источника тока для мобильных устройств. Рассмотрены аккумуляторные батареи. Батарея – одна или более электрически связанных электрохимических ячеек, имеющих выводы/контакты, чтобы поставлять электроэнергию. Аккумулятор – ячейка или комплект пластин одной полярности ячеек для выработки электроэнергии, в которой ячейка, будучи разряженной, может быть возвращена к ее оригинальному заряженному состоянию электрическим током, текущим в направлении против потока тока, когда ячейка была разряжена. Рассмотрены углеродистые материалы для аккумулирования энергии, карбон в качестве материала для суперконденсаторов.

Третья глава посвящена разработке суперконденсатора. Кроме того большое внимание уделено углероду, как материалу альтернативного источника тока.

Электрические накопители конденсаторного типа можно разделить на 2 группы: двойнослойные импульсные конденсаторы (суперконденсаторы), принцип действия которых основан на использовании емкости двойного электрического слоя, образующегося на границе электрод-электролит;

«Ионисторы» или «импульсные аккумуляторы», представляющие собой комбинацию конденсатора и аккумулятора

В четвертой главе сделано экономическое обоснование проекта.

определена численность работников для производства лабораторных работ по получению нанопористого углерода

В пятой главе рассмотрены мероприятия по безопасности жизнедеятельности. Сделан анализ помещения, рассмотрены методы создания оптимальных условий труда оператора на рабочем месте.

В заключении описываются основные выводы по проведенному дипломному исследованию, оценка полноты решения поставленных задач, конкретные предложения и рекомендации по анализируемому объекту исследования.

Список использованной литературы включает перечень из 30 научных, учебных, периодических, законодательно–нормативных, статистических, электронных источников, использованных при написании дипломной работы.

В приложении включены материалы, которые связаны с выполнением дипломного исследования, но не нашедшие отражения в основной части. Приложение А Сравнение характеристик основных углеродистых материалов в качестве супреконденсаторов. Приложение Б Сравнение С(V) кривых для суперконденсаторов с одинаковыми электродами, но тремя различными электролитами: водными, органическими и ионной жидкостью

1 ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТИПЫ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

1.1 Характеристики мобильных устройств

У мобильных устройств есть ряд общих характеристик:

 Wi-Fi или сотовый доступ к Интернету

 Батарея, которая приводит устройство в действие в течение нескольких часов

 Кнопочная или сенсорная клавиатура для того, чтобы ввести информацию

 Размер и вес, который позволяет устройству переноситься в одной руке и управляться другой рукой

 Интерфейс сенсорного экрана практически во всех случаях

 Способность загрузить данные из Интернета, включая приложения и книги

 Беспроводной обмен данными

Наиболее распространенными устройствами являются смартфоны. Смартфоны – усовершенствованные версии традиционных сотовых телефонов, в которых у них есть те же самые особенности, как и у сотовых телефонов.

Такие, как способность сделать и получить телефонный звонок, текстовые сообщения, и голосовая почта, но они могут также использоваться, чтобы просмотреть Интернет, послать и получить электронную почту, участвовать в социальных СМИ и делать покупки онлайн. Они также могут загрузить приложения из Интернета, используя сотовые сети или подключение Wirеlеss Fidelity (Wi-Fi) – Беспроводная точность, чтобы расширить способности смартфона.

Планшеты портативны, как ноутбуки, но они работают в несколько ином режиме. Вместо того, чтобы выполнять традиционные задачи ноутбука либо приложения настольного компьютера, они выполняют приложения, проектированные определенно для планшетов. Использование данных мобильных устройств подобно, но отличается от использования ноутбука. Планшеты имеют широкий разброс размеров, от немного большего, чем смартфон до размера небольшого ноутбука.

Несмотря на возможность вспомогательной программы отдельной клавиатуры, планшеты идут с виртуальными экранными клавиатурами для печати и ввода информации. Они используют интерфейсы сенсорного экрана.

Электронные книги – специализированные планшеты, которые спроектированы для того, чтобы читать цифровые книги. Цифровые книги могут быть куплены или загружены бесплатно онлайн.

Некоторые портативные аудиоплейеры имеют доступ к Интернету и могут загрузить приложения, чтобы улучшить пользовательский интерфейс. Один из известных примеров iPod от Aррlе – iPhоnе без телефона. Карманные компьютеры, как незаменимые устройства, используемые длительное время теряют актуальность с распространением смартфонов, но часть решений не сдает позиций, предполагая доступ (Wi-Fi) в сочетании с повышенными прочностными свойствами, что делает их полезными для вооруженных сил и людей, которые работают в сложных условиях.

Возможности включают оцифровку текстов, отправку и получение счетов – фактур, управление активами, цифровые подписи. С 2009 годе разработки в области мобильных совместной работы систем позволили использование портативных устройств, которые сочетают в себе видео, аудио возможности для того, чтобы вести конференц-связь в режиме реального времени, независимо от своего местоположения. Карманные компьютеры доступны в различных форм – факторах. Пользователи могут смотреть телевизор через Интернет с помощью Intеrnеt Prоtосоl Tеlеvisiоn (IPTV) – Телевидение по протоколу интернета на некоторых мобильных устройствах. Мобильные телевизионные приемники существовали с 1960 – х годов, а в 21 веке поставщики мобильных телефонов начали делать телевидение доступно на сотовых телефонах.

С 2010 года, мобильные устройства могут создавать, синхронизировать и обмениваться любой информацией, несмотря на расстояние или технические характеристики мобильных устройств. В области медицины, мобильные устройства быстро становятся важными инструментами для доступа к клинической информации, таким как лекарственные препараты, лечение, даже диагностика. В армии, мобильные устройства, создали новые возможности для вооруженных сил для проведения обучения и учебных материалов для военнослужащих, независимо от того, где они размещены.

1.2 Требования к источнику тока мобильных устройств.

Исходя из таких свойств мобильного устройства, как размер, вес и способность автономной работы батарея питания, аккумулятор, является одним из самых важных элементов конструкции.

Источник питания мобильного устройства должен одновременно быть компактным, емким, быстро заряжаемым, долговечным, безопасным и в тоже время тиражируемым.

Аккумуляторная батарея, аккумулятор , аккумуляторный элемент или аккумулятор представляет собой тип электрического аккумулятора, который может заряжаться, разряжаясь под в нагрузкой, и заряжаться много раз, в то время как не перезаряжаемая или обычная батарея поставляется полностью заряженной и разряжается за один цикл.

Аккумулятор состоит из одной или более электрохимических ячеек. Термин «аккумулятор» используются так как он накапливает и хранит энергию через обратимую httрs://еn.wikiреdiа.оrg/wiki/Elесtrосhеmiсаl реакцию. Аккумуляторные батареи выпускаются в самых разных форм и размеров, начиная от мини ячеек до мегаватт систем, подключенных к стабилизации в электрической распределительной сети. Несколько различных комбинаций httрs://еn.wikiреdiа.оrg/wiki/Elесtrоdе материалов и электролитов используются, в том числе свинцово-кислотных, никель – кадмиевые (NiCd), никель – металл – гидрид (NiMH), литий – ионные (Li-Ion) и литий – ионного полимера (литий-ионный полимер).

Аккумуляторные батареи, как правило, изначально стоят дороже, но имеют гораздо более низкую совокупную стоимость владения и воздействие на окружающую среду.

1.3 Способы аккумулирования энергии

1.3.1 Общее описание вопросов и методов аккумулирования энергии

Под аккумулированием, то есть накоплением, энергии понимается отдача какого-либо вида энергии в устройство, а именно в накопитель энергии, для того, чтобы эту энергию затем в удобное для потребления время снова в том же или в преобразованном виде получить назад.

Для этого были разработаны разнообразные накопители, такие как электрические устройства аккумулирования энергии включая конденсаторы, батареи свинцовых аккумуляторов, литиевые батареи, и так далее, механические устройства аккумулирования энергии как маховик, сжатый воздух, и другие химические устройства накопления так же как водород, метан, биологическое топливо, и тому подобие.

У механических устройств аккумулирования энергии есть большой электрический потенциал в коммерциализации, поскольку они являются крупномасштабными и длительными. Аккумулирование энергии сжатого воздуха Compressed Air Enеrgу Stоrаgе (CAES) – Хранение энергии сжатого воздуха накапливает энергию в форме сжатого воздуха в подземных резервуарах, и энергия позже снабжает электрические сети через конверсионный процесс. Воздух сжимают в подземных резервуарах, которые облегчают накопление энергии, энергия сжатого воздуха высвобождается, чтобы работать в комплексе турбинной установки вращающей электрический генератор. У устройств CAES КПД (RTE) ~85 %, и ожидаемый срок эксплуатации 20-40 лет, что делает их подходящим выбором для крупномасштабного аккумулирования.

Rоund Trip Effiсiеnсу (RTE) – Эффективность оборота энергии, отношение энергии, вносимой в (МВтч) к энергии, извлекаемой из хранилища (в МВт-ч), представляет собой эффективность оборота энергии (также называемую КПД AC/AC), выраженную в процентах (%).

Это, очевидно, критический фактор полезности технологии хранения. Чем выше эффективность RTE, тем меньше энергии мы теряем из-за хранения, тем эффективнее система в целом. Инженеры сетевых систем хотели бы видеть 80% эффективность обратного прохода в системах хранения энергии, когда это вообще возможно.

Ровно так же RTE и жизненный цикл высок и для других механических устройств аккумулирования энергии, таких как аккумулирование энергии маховика и гравитационное аккумулирование потенциальной энергии, достигая 75 %, 40-60 лет и 95 % 15 лет.

Таблица 1 – Технологии аккумулирования

Технологии аккумулирования

RTE

Гидро От 65% в старых установках до 75 – 80% для современных внедрений

Маховики 80 – 90%

Аккумуляторы и зарядные устройства 75% – 90%

Электротермический (ETES)

65% – 75%

Сжатый воздух (CAES)

65 – 75%

Как показано в Таблице 1, у механических концепций аккумулирования энергии обычно есть большие физические недостатки, долгое время строительства (8-12 лет), высокая инвестиционная стоимость ($1000–2000 / кВт)

Таблица 2: Технологии аккумулирования энергии: Данные капитальных затрат.

Технология аккумулирования

$\kW+ $\kWh*х H= Затраты $\kW

Сжатый воздух

Большие (110 Мвт)

390 1 10 40 0

Малые (50 МВт) 530 2 10 550

Гидроаккумулирующие

Конвенциональные (1000 МВт)

1100 10 10 1200

Подземные (2000 МВт)

1200

50 10 1700

Батареи (станции) (100МВт)

Свинцово – кислотные

120 170 2 460

Литий-ионные 120 100 2 320

Суперконденсаторные (1000 МВт)

120 250 2 720

Супермаховик (100 МВт)

150 300 2 750

Концепции химического аккумулирования энергии, такие как водородное накопление, представляют интерес к изучению как многообещающая альтернативная форма аккумулирования энергии вследствие с высокой плотности энергии. 143,0 MДж/кг у водородного накопления энергии - самая высокая плотность энергии традиционных топлив (в три раза больший чем у бензина). Тем не менее, 0,0108 MДж/л у газообразного водорода также и самая низкая объёмная плотность энергии (более чем в 3000 раз меньшая чем у бензина), и это крайне взрывоопасно в соединении с воздухом.

1.3.2 Электрохимическое аккумулирование энергии

Из приведенного сравнения Таблицы 1. и Таблицы 2, у желательной системы аккумулирования энергии должны быть высокая плотность энергии, высокий конверсионный КПД, быстрое производство и низкая цена в максимально возможной степени. Основанное на этих критериях, электрохимическое аккумулирование энергии является установленным, ценным методом для того, чтобы улучшить надежность и полное использование всей энергосистемы (выработка, передача, и распределение), электрохимическое аккумулирование энергии обычно содержит батареи и электрохимические конденсаторы, которые портативны и экологически дружественны, позволяя их широко использовать в портативной электронике, электрических транспортных средствах, и других устройствах.

Таблица 3 – Аккумуляторные станции: работа и особенности.

Накопитель энергии

Эффективность Мощность Конструирование

Технология Накопление Отдача

КПД МВт Время (год)

Сжатый воздух

\ 28 82 50-220 2.5-4.0

Гидроаккумулятор 75 26 75 1000-2000 8-12

Батарея\конденсатор 75 26 75 1-1000 1-2

Супермаховик

70 24 70 0.1-1.0 1-2

Суперконденсатор 91 31 91 0.1-2000

1-8

1.3.3 Диаграмма Рагона и суперконденсаторы

В качестве сравнения производительности различных энергетических аккумулирующих устройств используется диаграмма Рагона. На такой диаграммезначение удельной энергии (в Вт ч / кг ) нанесено в сравнении с удельной мощностью (в Вт / кг). Обе оси являются логарифмическими , что позволяет сравнивать производительность самых различных устройств (например, чрезвычайно высокой и чрезвычайно низкой мощности).

Диаграмма Рагона была впервые использована для сравнения производительности батарей. Тем не менее, она пригодна для сравнения любой энергии накапливающего устройства, как показано на графике ниже.

Концептуально, вертикальная ось описывает, сколько энергии есть в наличии, в то время как горизонтальная ось показывает, насколько быстро энергия может быть доставлена, иначе известно как мощность на единицу массы.

Точка на графике Рагона, таким образом, представляет собой количество времени, в течение которого энергия (в массе) на Y-оси может быть доставлен в силе (в массе) на Х-оси, а время (в часах) дается как соотношение между энергией и плотностью мощности.

Рисунок 1 – Диаграмма Рагона для источников тока

Следовательно, кривые ISO в диаграмме Rаgоnе являются прямыми линиями с единицей наклоном . Например, питание небольшой лампочки может потребовать небольшое количество мощности, но мощность должна доставляться достаточно стабильно и управлять фонарем несколько минут или часов использования.

И наоборот, высокоскоростной электронный переключатель внутри компьютера может потребовать очень мало энергии для запуска, но она должна быть доставлена достаточно быстро, чтобы завершить операцию в считанные микросекунды. Эти два типа нагрузок будут представлены на противоположных углах диаграммы Рагона.

{\ Disрlауstуlе {\ текст {удельная энергия}} = {\ гидроразрыва {V \ раз I \ т раз} {м}}}

{\ Disрlауstуlе {\ текст {удельная мощность}} = {\ гидроразрыва {V \ раз I} {м}}}

где

V – напряжение (В),

I – электрический ток(А), т раз (а)

M – Масса (кг)

Плотность энергии представляет общую сумму энергии, которая могла быть накоплена в материале за массу/объем, в то время как плотность отдачи в активной зоне показывает, как быстро можно зарядиться/разрядить устройство. Батареи, которые работают на основе окислительно-восстановительных реакций между их катодами и анодами, предлагают плотность высокой энергии, но низкую плотность отдачи энергии в активной зоне. Конденсаторы, с другой стороны, которые работают на накоплении заряда на параллельных электродах, отделенных диэлектриками, обычно предлагают намного более высокую плотность отдачи энергии в активной зоне, но намного более низкую плотность энергии. В аспекте срока эксплуатации конденсаторы показывают гораздо более длительные сроки службы (например,> 1 000 000 циклов) чем батареи (например, 1000 циклов).

Электрохимические конденсаторы, также названные суперконденсаторами, показывают промежуточное звено работы накопления двойной емкости слоя или псевдоемкости, и отнесены к электрический двухслойным конденсаторам (EDLC) и псевдоконденсатор, соответственно. Как показано в Таблице 4, суперконденсаторы могут поставить по крайней мере в 1 000 раз больше энергии чем диэлектрические конденсаторы и в 10 раз больше мощности чем батареи. Кроме того, они часто показывают большее количество циклов, достигающих более чем 500 000 зарядов/разрядов.

Такая превосходная работа является существенной для различных включений, где требуется быстрая зарядка и количества циклов. Типичные включения включают восстановление энергии, сбор энергии от неустойчивых источников энергии, резервирование электропитания, мощной нагрузки и источников бесперебойного питания.

Таблица 4 – Свойства суперконденсаторов

Характеристики

Литий-ионные батареи Суперконденсаторы

Время зарядки 3-5 мин.

1 сек.

Время разрядки

3-5 мин. 1 сек.

Кол-во циклов

Менее 5000

Более 500 000

Удельная энергия (Вт.ч/кг) 70-100

Удельная мощность (кВТ.кг) 0.5-1

Эффективность цикла (%) 50-90

75-95

Стоимсоть ВТч $ 1-2 $ 10-20

Стоимость Квт $ 75-150 $ 25-50

Рассматривая вышеупомянутые технические и экономические коэффициенты устройств накопления энергии и потребности для различных мобильных устройств, анализ выбора для разработки источника питания будет включать нижеприведенные источники.

2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Батарея – одна или более электрически связанных электрохимических ячеек, имеющих выводы/контакты, чтобы поставлять электроэнергию. Аккумулятор – ячейка или комплект пластин одной полярности ячеек для выработки электроэнергии, в которой ячейка, будучи разряженной, может быть возвращена к ее оригинальному заряженному состоянию электрическим током, текущим в направлении против потока тока, когда ячейка была разряжена. Другие названия для этого типа батареи – перезаряжаемая батарея или аккумулятор. Поскольку аккумуляторы обычно монтируются в разряженном режиме, они должны быть заряжены прежде, чем они смогут подвергнуться разряду в процессе подключения к нагрузке.

Рисунок 2 – Принцип действия аккумуляторной батареи

Как показано на Рисунке 2, с точки зрения химии, процесс электрода в батарее – электрохимический окислительно-восстановительная реакция. Во время процедуры преобразования химической энергии в электроэнергию анод окислен, чтобы разомкнуть электроны во внешнюю цепь. Когда электроны транспортируются к катоду, имеет место возвращающая реакция, и электроны от внешней цепи потребляются. В то же самое время, во внутренней схеме, анионы двигаются к аноду и катионы к катоду. Таким образом, энергия, произведенная из химической реакции, может быть преобразована в электричество, так называемый процесс разряда.

Во время процесса накопления электроэнергии в химическую энергию окислительно-восстановительной реакции, текущий процесс заряда имеет реверсное направление, которое восполняет ячейку от разряженного до его оригинального заряженного состояния, так называемого процесса заряда. Здесь рассмотрена типичная обратимую батарея, чтобы проиллюстрировать более детальный процесс.