|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 06/2002
Gdy zabraknie prądu - Superkondensatory
|
|
Od ponad 20 lat w elektrotechnice wykorzystywano unikalne zalety superkondensatorów dla podtrzymania niskonapięciowego zasilania pamięci urządzeń cyfrowych. Obecnie postępy inżynierii materiałowej umożliwiły ich zastosowanie w układach o znacznie wyższych napięciach i mocach.
|
Superkondensatory - jedno z najnowszych osiągnięć elektrotechniki - mogą dokonać prawdziwego przełomu w wielu dziedzinach techniki.
Czym są superkondensatory? Pod względem zasady działania nie różnią się od swych klasycznych odpowiedników czyli znanych wszystkim kondensatorów. Są to elementy służące do gromadzenia energii pola elektrycznego dzięki rozdzieleniu ładunków na różnoimiennych elektrodach, oddzielonych elektrolitem. Podobnie jak w tradycyjnych kondensatorach, wartość podstawowego parametru elektrycznego charakteryzującego te elementy - pojemność elektryczna - jest wprost proporcjonalna do powierzchni elektrod.
Właśnie ogromnemu zwiększeniu powierzchni elektrod węglowych, wykonanych w postaci sieci niezliczonych włókien, superkondensatory zawdzięczają swą podstawową cechę, którą jest bardzo wielka pojemność. Wielkość tej powierzchni przypadająca na jeden gram elektrody sięga 2000m kw., a uzyskana pojemność wynosi kilka lub nawet kilkanaście tysięcy faradów. Elektrody węglowe oddzielone są wodorotlenkiem potasowym.
W porównaniu z tradycyjnymi kondensatorami, superkondensatory odznaczają się wieloma zaletami: wielką gęstością gromadzonej energii, relatywnie niższym kosztem przypadającym na jednostkę pojemności, większą żywotnością i trwałością. Mogą pracować w szerokim zakresie temperatur, nie wymagają konserwacji ani obsługi i są nieszkodliwe dla otoczenia. Gabaryty superkondensatorów są porównywalne z wymiarami tradycyjnych kondensatorów elektrolitycznych o pojemności rzędu 10 000 razy mniejszej.
Kolejną zaletę stanowi możliwość wykonania praktycznie nieograniczonej liczby cykli ładowania i rozładowania elementu bez pogorszenia własności. Cecha ta wyróżnia je zdecydowanie od typowych zasobników energii elektrycznej, jakimi są akumulatory.
Również w eksploatacji superkondensatory zdecydowanie różnią się od baterii chemicznych. Te ostatnie mogą przez długi czas (rzędu godzin) dostarczać przewidziane ilości prądu, natomiast posiadają ograniczoną szybkość i zdolność reakcji na zmiany obciążenia. Konwencjonalne kondensatory reagują w takich przypadkach znacznie szybciej, lecz zasób ich energii, a zwłaszcza zdolność do dłuższego zasilania odbioru jest bardzo ograniczona. Zatem superkondensatory łączą w sobie najcenniejsze zalety obu elementów: dużą gromadzoną energię i szybkie dostosowanie do zmiany obciążenia.
Ciągłe doskonalenie technologii superkondensatorów, rozszerzanie zakresu dostępnych parametrów przy jednoczesnym obniżaniu kosztów sprawiły, że obecnie planuje się ich wykorzystanie w rozmaitych urządzeniach i układach wyższych napięć i większych mocy.
Wprawdzie w systemach elektroenergetycznych wysokiego napięcia od dawna stosowano kondensatory do poprawy warunków pracy sieci, m.in. do regulacji napięcia linii przesyłowych i kompensacji mocy biernej, lecz wykorzystanie tak potężnych i szybko reagujących źródeł mocy, jakimi są superkondensatory, umożliwi nieporównanie doskonalszą realizację tych zadań w daleko szerszym zakresie. W szczególności przewiduje się użycie superkondensatorów do zwiększenia stabilności pracy systemu przesyłu energii elektrycznej przez wprowadzenie dodatkowego zasobnika energii. Zadaniem jego będzie tłumienie oscylacji przepływu wielkich prądów w stanach przejściowych wywołanych zakłóceniami równowagi pracy systemu. Zachowanie stabilnej pracy sieci np. po wyłączeniu wielkiego źródła, wymaga dostarczenia w bardzo krótkim czasie (rzędu kilku sekund) wielkiej energii sięgającej setek megadżuli. Można ją uzyskać np. przez rozładowanie potężnej baterii superkondensatorów, przyłączonej równolegle do linii przez przekształtnik energoelektroniczny z transformatorem podwyższającym napięcie.
Podobne rozwiązanie umożliwi także uzupełnienie tzw. rezerwy wirującej systemu elektroenergetycznego przez baterie superkondensatorów. W stanach awaryjnych systemu np. deficytu mocy, jej brak pokrywany jest w pierwszej chwili przez energię kinetyczną mas wirników turbogeneratorów. Bezzwłoczne dołączenie takiej baterii zapewni dodatkowy impuls niezbędnej mocy. Potężne baterie superkondensatorów wydające krótkotrwale moc w granicach 100-1000 MW umożliwią także sprawniejszą regulację mocy czynnej i częstotliwości w systemach elektroenergetycznych. Wielkie układy energoelektroniczne na bazie superkondensatorów pozwolą na efektywną regulację napięcia linii (kompensację spadku napięcia) oraz sterowanie przepływem mocy w linii (przez włączenie szeregowego źródła, którym będzie falownik zasilany przez baterię superkondensatorów). Zastosowanie superkondensatorów przyczyni się również bezpośrednio do poprawy pewności i jakości zasilania odbiorców.
Nowy rodzaj wydajnego źródła mocy umożliwi eliminację krótkotrwałych zaników napięcia zarówno w liniach wysokiego napięcia, jak i u odbiorców przyłączonych do sieci niskiego napięcia. Dla tych ostatnich przewiduje się instalowanie układów superkondensatorów pokrywających zapotrzebowanie odbiorów na moc 1-5 MW przez czas około 10 sek. niezbędny dla uruchomienia innego źródła rezerwowego zasilania.
Realizacja tych zamierzeń - na razie pozostających na etapie projektów - zacznie prawdopodobnie już wkrótce przybierać praktyczne kształty. Zaawansowane technologie wytwarzania superkondensatorów umożliwiły testowanie tych elementów m.in. w pojazdach elektrycznych i różnych aplikacjach przemysłowych, takich jak uzupełnienie lub zastąpienie baterii jako źródeł gwarantowanego napięcia stałego do zasilania układów sterowania i automatyki oraz wykorzystanie jako rozproszonych źródeł energii do rozruchu mikroturbin i podtrzymywania zasilania z ogniw paliwowych, baterii słonecznych itp. Pozytywne rezultaty dotychczasowych prób pozwalają z optymizmem oceniać perspektywy coraz szerszego wykorzystania superkondensatorów.
Na podstawie materiałów zamieszczonych w biuletynie EPRI Journal oraz miesięczniku "Power Quality" opracował Piotr Olszowiec
|
|
|
|
