Термодинамический анализ эффективности использования суперконденсаторов в накопителях энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Термодинамический анализ эффективности использования суперконденсаторов в накопителях энергии

Радченко Руслан Васильевич, старший преподаватель каф. «Атомные станции и возобновляемые источники энергии»

Тюльпа Валентина Владимировна, канд. техн. наук, доцент каф. «Теплоэнергетика и теплотехника»

Аннотация

В статье приводятся преимущества суперконденсаторов перед аккумуляторами и определяются энергетические КПД различных процессов суперконденсатора.

Ключевые слова: накопитель; эксергия; процесс заряда; процесс разряда; процесс хранения заряда.

Abstract

Thermodynamic analysis of the use of supercapacitors as energy storage devices

The article presents the advantages of supercapacitors in front of the battery and determined the exergy efficiency of various processes of the supercapacitor.

Keywords: energy storage; exergy; the charge process; the discharge process; the process of storing charge.

Введение

Электричество -- наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.

Самые массовые «электрические» накопители энергии -- это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии -- как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Электролитические конденсаторы бульшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре, и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).

Основные недостатоки конденсаторов:

· малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость.

· малое время хранения, которое обычно исчисляется минутами и секундами и редко превышает несколько часов, а в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды.

В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в силовой электротехнике -- на большее их пока не хватает.

Электрохимические конденсаторы (ЭХК) - новый класс накопителей энергии, появившийся сравнительно недавно. В ЭХК запасается и используется электростатическая энергия, а также энергия электрохимических процессов Основным преимуществом ЭК является способность запасать и отдавать более высокую энергию, чем традиционные конденсаторы. Использование ЭХК позволяет решить ряд задач, которые не могут быть решены с помощью традиционных источников тока.

Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные диэлектриком, то ионистор - это комбинация конденсатора с электрохимической батареей -- электрохимический конденсатор ЭХК. В нем применяются специальные материалы для обкладок и электролит. В качестве обкладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды металлов и проводящие полимеры.

Использование высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/см³ и больше. Ионисторы на базе активированного угля наиболее экономичны в изготовлении. Их еще называют двухслойными или ДЭС - конденсаторами, потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся на поверхности обкладки.

Обычно в качестве альтернативы суперконденсаторам рассматриваются аккумуляторные батареи (NiMH или LiIon), имеющие существенно большую удельную энергию. Тем не менее, их применение связано с ограничением режимов заряда и разряда, а главное - они как минимум вдвое уступают суперконденсаторам по ресурсу, имеющие ряд преимуществ перед аккумуляторами [1-3]:

- они могут эксплуатироваться в широком интервале температур (от -60 до +125°С и выше) без обслуживания и замены в течение всего срока службы (до 20 лет и более);

- имеют большое количество циклов в режиме «заряд -разряд» (> 10⁶ циклов) без заметного ухудшения параметров;

- имеют высокую удельную мощность (десятки кВт/кг) и, благодаря небольшой постоянной времени RС, заряжаются и разряжаются очень быстро (практически мгновенно).

Оценка характеристик ЭХК

Схема замещения суперконденсатора практически совпадает со схемой обычного конденсатора [1].

Рис.1. Схема замещения суперконденсатора: L_S - индуктивность потерь, R_p - сопротивление утечки, C - собственно емкость ЭХК, R_S - общее активное сопротивление (сопротивление потерь).

Общее сопротивление потерь обычно разбивают на две составляющих:

,

где ESR - сопротивление потерь, как у обычных конденсаторов, EDR ? эквивалентное распределенное сопротивление, определяемое ионными токами в двойном электрическом слое.

Сопротивление утечки связано со структурой ДЭС и зависит от типа конденсатора. суперконденсатор аккумулятор энергетический

Процесс заряда накопителя

Рис. 2. Схема заряда накопителя

В процессе заряда потери энтропии при изобарно-изотермическом процессе в единицу времени

(1)

Здесь - рабочее напряжение конденсатора, - количество передаваемого в единицу времени заряда, C - ёмкость конденсатора, T - температура окружающей среды.

Если ёмкость суперконденсатора С, а время заряда , напряжение на конденсаторе в момент времени t

(2)

Здесь - cопротивление потерь в цепи, - номинальное напряжение заряда суперконденсатора.

Изменение энтропии в процессе заряда

(3)

Или

. (4)

Подставляя (4) в (7) [5], получим эксергетический КПД процесса заряда суперконденсатора

= (5)

Процесс хранения заряда

Рис. 3. Схема хранения заряда

Потери эксергии в конденсаторе при хранении в случае изобарно-изотермического процесса происходят в виде тепловых потерь, т.е. и выделяющееся тепло необходимо отводить. Изменение энтропии в процессе хранения заряда

(6)

Потери энтропии в суперконденсаторе

(7)

Учитывая, что

,

Получим

(8)

Эксергетический КПД накопителя в процессе хранения

. (9)

Процесс разряда накопителя

В результате необратимых потерь, связанных с процессом хранения, полезная энергия, которая может быть использована потребителем, равна .

Рис. 4. Схема разряда накопителя в нагрузку

,

Изменение энтропии такой системы складывается из внутренних изменений энтропии и ее оттоком из системы из-за теплообмена с окружающей средой.

(11)

Или

. (12)

Внешние потери , связанные с условиями взаимодействия системы с окружающей средой

. (13)

(14)

Полный эксергетический КПД накопителя (1) с использованием соотношений (5, 9, 14) может быть записан как

(15)

Эксергетический КПД процесса заряда суперконденсатора (5) определяется временем его заряда и внутренним сопротивлением . Значения этих величин для мощных суперконденсаторов лежат в пределах: десятков секунд, ~ mOm [2, 3]. Поэтому можно считать, что .

Эксергетический КПД процесса хранения заряда суперконденсатора (9) определяется временем хранения заряда и сопротивлением утечки . Среднее время разряда конденсаторов ёмкостью 450 фарад из-за утечки до уровня 80% составляет 30-45 дней [14]. Поэтому , откуда при, .

Время разряда можно оценить из соотношения

(16)

При разряде суперконденсатора до 50% номинального напряжения выделяется до 75% энергии, накопленной в суперконденсаторе . Можно принять .

Эксергетический КПД процесса разряда суперконденсатора (14) задаётся требуемыми параметрами нагрузки , временем использования энергии накопителя , временем заряда и временем хранения энергии .

Полный КПД накопителя, как показывают оценки выражения (15), зависит в наибольшей степени от времени хранения энергии в конденсаторе. Для разработанных до настоящего времени моделей суперконденсаторов условие высокого КПД () достижимо только для сравнительно коротких сроков хранения энергии и зависит от величины сопротивления утечки .

Библиографический список

1. Деньщиков К.К. Суперконденсаторы: принципы их применения. www.iel.wroc.pl/files/default/dphki8408o5si4/denszczikov.pdf.

2. Nesscap Co., Ltd., NESSCAP Tech Guide_2008.pdf.

3. А. Колпаков. Ультраконденсаторы

4. Maxwell Technologies. Компоненты и технологии, №1,2004.

5. Радченко Р.В., Тюльпа В.В. Эксергетический и термодинамический методы сравнения накопителей энергии. Материалы научно-практической конференции: Перспективные энергетические технологии. Экология, экономика, безопасность и подготовка кадров - Екатеринбург: УрФУ, 2016; с. 175-179.

Размещено на Allbest.ru