Материал: 687_Sazhnev_A.M._Sistemy_ehlektropitanija_

устройство управления, блокировки и синхронизации; Н – нагрузка, СЭ – соединительные элементы.

Рис. 1.15 Структурная схема генератора импульсных токов

Энергия запасается в конденсаторной батарее КБ, которая заряжается до заданного напряжения с помощью зарядного устройства ЗУ и разряжается на нагрузку через систему коммутации СК, состоящую из коммутаторов и устройств управления ими. Ток от конденсаторов к разряднику и далее к нагрузке подводится с помощью соединительных элементов СЭ (кабелей или листовых шин).

Как правило, накопители с энергией 105 Дж и выше создают в виде однотипных модулей, состоящих из отдельных конденсаторов или групп конденсаторов с общим коммутатором. Энергия, запасаемая в одном модуле, ограничена значением, не приводящим к взрыву при пробое одного из конденсаторов и разряда на него всех конденсаторов модуля. Обычно она не превышает 10…50 кДж и лишь при использовании специальных мер защиты может быть увеличена до 100…200 кДж.

Каждый модуль может быть независимо подключен к нагрузке. Если цепи разряда отдельных модулей электрически не связаны (например, при питании устройств для накачки лазеров), то ГИТ представляет собой совокупность независимых элементов, включенных одновременно или со сдвигом во времени. Более типичны накопители, в которых ток от всех модулей должен быть передан в общую нагрузку, при этом используется дополнительная сборная шина К, к которой подводится ток от модулей и присоединяется к нагрузке Н. Обязательным элементом накопителей являются УБС, обеспечивающие нормальную и безопасную работу.

В последние десятилетия интенсивное развитие получили установки на основе ЕНЭ предельно высокой мощности для проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием. За рубежом и в нашей стране построены такие крупные многомодульные установки, как «PBFA-2», (после первой модификации «PBFA-Z», а по завершению проводимых в настоящее время работ – установка «ZR»), «Ангара- 5», «Стенд-300», «ГИТ-16» и другие. Наиболее крупная установка «ZR» обеспечивает получение импульсов с мощностью свыше 60 ТВт и длительностью около 100 нс. На рис. 1.16 представлена наиболее крупная

26

отечественная установка «Ангара-5», на которой с середины 80-х годов успешно ведутся исследования по физике горячей плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Установка состоит из восьми модулей и обеспечивает получение на общей нагрузке импульсов с амплитудой напряжения 2 МВ и амплитудой тока короткого замыкания около 7 МА при длительности импульсов около 100 нс [5].

Рис. 1.16 Установка «Ангара-5»

Среди накопителей энергии, предполагаемых для использования в отрасли возобновляемой энергетики, особый интерес представляют конденсаторные (емкостные) накопители в виде суперконденсаторов.

1.4.2 Накопители в виде суперконденсаторов. Электрохимические конденсаторы, накапливающие заряд на двойном электрическом слое или суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов уровнем электрической емкости: максимальная емкость обычных конденсаторов составляет сотни микрофарад, а максимальная емкость суперконденсаторов достигает тысяч фарад, те есть на шесть порядков больше.

В 1879 году Г.Гельмгольц [6] открыл ранее неизвестное явление – возникновение электрических слоев в материалах с разным типом проводимости при их взаимном контакте. Это явление имеет фундаментальный характер, способствуя установлению равновесного состояния в системе, состоящей из материалов с ионной и электронной проводимостью путем переноса заряда в межмолекулярном пространстве. Электрические слои Гельмгольца представляют собой области локализации зарядов, находящиеся на расстоянии 1…5 ангстрем друг от друга и допускающие подключение

27

нагрузок в виде внешних источников заряда, лимитированные напряжением декомпозиции электролита (материала с ионной проводимостью). Поскольку электрические слои Гельмгольца образуются при контакте твердого вещества с жидкостью, очевидно, что в качестве твердого вещества можно использовать высокодисперсные материалы. В этом случае можно получить очень высокие значения площади поверхности контакта, а значит и площади поверхности двойного электрического слоя. Таким образом, если электрические слои Гельмгольца интерпретировать как обкладки плоского конденсатора, можно получить конденсатор с уникальными свойствами накопления энергии или

где ε – относительная диэлектрическая постоянная среды, ε = 0,99 …

3,35;

ε0 – диэлектрическая постоянная вакуума, ε0 = 8,86 · 10-12 [Ф/м];

d – расстояние между электрическими слоями, соответствует дебаевской длине свободного пробега электронов и составляет d = (1… 5) 10-10 [м];

Sдс – площадь поверхности двойного электрического слоя, предельное теоретическое значение которой составляет Sдс = 2600 [м2] на грамм пористого материала [7].

Таким образом, суперконденсаторы обладают следующими характеристиками [8]:

плотность электрической емкости до 260 Ф/г;

плотность электрической энергии до 50 Дж/см3;

внутреннее сопротивление до 0,0001 Ом;

время заряда и разряда в диапазоне 0,025…5,0 сек.;

малый ток утечки и возможность хранения заряда в течение сотен часов.

Такие характеристики выделили суперконденсаторы в особую группу

устройств хранения энергии, занимающую нишу между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями, что иллюстрирует диаграмма Рагона (рис. 1.17) [9].

На пути реализации идеи использования двойного электрического слоя в качестве технического устройства – суперконденсатора – возникла весьма сложная проблема токосъёма с обоих электрических слоёв. Если токосъём с одного из контактирующих материалов – активированного угля организовать сравнительно просто использованием металлических токосъёмников, имеющих близкую к углю электропроводность, то токосъём с электрического слоя, образующегося в жидкости, весьма проблематичен, поскольку практически невозможно подобрать материал токосъёмника, обладающего такой же проводимостью, что и жидкость. В противном случае на границе жидкости и токосъемника образуется еще один двойной электрический слой или еще один конденсатор, характеристики которого сведут на нет все преимущества суперконденсатора.

28

Рисунок 1.17 Диаграмма Рагона для устройств генерации и накопления энергии

Для решения этой проблемы в суперконденсаторах вообще не используется токосъём с жидкости. Для этого используется система из двух пар контактирующих материалов, разделенных ионопроводящим сепаратором. В этой системе (рис. 1.18) образуются два последовательно соединенных суперконденсатора, одна из обкладок каждого из которых, соответствующая

Рисунок 1.18 Принципиальная схема суперконденсатора

электрическому слою, образующемуся в жидкости, является с технической точки зрения виртуальной, а токосъём осуществляется с электрических слоёв, образующихся в пористом электроде. Разнополярность обкладок в системе из двух суперконденсаторов образуется за счет ионопроводящего сепаратора.

Таким образом, техническая реализация суперконденсатора представляет собой элементарную ячейку (элементарный суперконденсатор), состоящую из

29

двух последовательно соединенных суперконденсаторов, причем соединение происходит по электрическим слоям в электролите, а заряд снимается с электрических слоев в углеродном пористом материале. Последовательное соединение суперконденсаторов реализуется путем использования общего электролита, разделенного сепаратором, фактически являющимся баллоном для электролита. Именно поэтому допустимое рабочее напряжение элементарного суперконденсатора равно напряжению разложения электролита, а не двойному рабочему напряжению двойного электрического слоя, что соответствовало бы последовательному соединению двух суперконденсаторов [10].

В качестве высокодисперсного материала в суперконденсаторах безальтернативно используется активированный уголь с размерами частиц 1…50 мкм, размерами активных пор 0,7…16 нм и удельной поверхностью до 2500 м2/г. Кроме этих уникальных свойств активированный уголь еще и очень дешев, что практически лишает его всяких конкурентов. В качестве электролита в промышленно производимых суперконденсаторах используют водные растворы щелочи с напряжением разложения 1,23 вольта и весьма токсичные органические электролиты на основе ацетонитрила с напряжением разложения до 2,7 вольт. В отделении нанотехнологий и информационных технологий РАН разработан и проходят опытную эксплуатацию суперконденсаторы с нетоксичным органическим электролитом на основе ионной жидкости с напряжением разложения 3,5 вольт [11]. В качестве сепараторов в настоящее время используется асбестовая бумага, полностью соответствующая предъявляемым требования по электрическим, механическим, эксплуатационным и стоимостным характеристикам. Однако, в связи с нормативами Европейского сообщества, запрещающими использование асбеста, в ОИВТ РАН совместно с японской фирмой Teijin Twaron разработаны и проходят опытную эксплуатацию суперконденсаторы с новыми сепараторами из ароматического полиамида Twaron [12].

На рис. 1.19 представлена схема элементарного суперконденсатора, являющегося основой для создания технических устройств различного назначения.

Элементарный суперконденсатор состоит из двух электродов, разделенных пропитанным электролитом сепаратором и двух токовых коллекторов. Электрод состоит из слоя пластифицированного активированного угля на подложке из материала, аналогичного материалу сепаратора. Толщина слоя активированного угля с удельной поверхностью 1200 м2/гр варьируется в пределах 0,1…5,0 мм. Размеры частиц активированного угля находятся в пределах 1…50 мкм, размеры активных пор – 0,7…10 нм. Токосъемник – металлическая фольга толщиной до 50 мкм. Поскольку для технических применений необходимы суперконденсаторы с напряжениями до 1000 вольт, то для их построения на основе элементарных суперконденсаторов в настоящее время используются две основные технологии: наборная и намоточная (рис. 1.20).

30