Суперконденсатор в домашних условиях

Оглавление

1. Введение………………………………………………………………………………............2

2. Основная часть…………………………………………………………………......................3

   1. Суперконденсатор – ионистор ……………………………….………………………....3

   2. Принцип работы …………….……………………….………………………………......3

3. Практическая часть…………………………………………………………………...............3

3.1. Технология изготовления ионистора…………………………………………………...3-4

3.2. Расчет энергетической эффективности самодельного ионистора…………………….4-5

1. Заключение……………………………………………………………………………………5

2. Список использованной литературы………………………………………………………..6

1. Введение.

Одним из путей решения глобальной мировой проблемы роста энергопотребления является рациональное использование энергетических ресурсов. В ряде современных энергосберегающих технологий используется ионистор - гибрид конденсатора и химического источника тока [1].

Ионисторы позволяют оптимизировать использование источников возобновляемой энергии путем накопления и перераспределения ее излишков [3].

Актуальность нашей работы заключается в том, что в начале двадцать первого века перед человечеством стоит ряд проблем и одна из них связана с созданием механизмов и машин способных совершать работу, с наименьшими затратами энергии, которые наносили бы наименьший вред нашей планете.

Практическая значимость нашей работы состоит в перспективности использования ионисторов.

Целью данной работы является изучение принципа работы ионисторов, а также экспериментальное получение и анализ графиков зависимости напряжения от времени в процессах заряда/саморазряда самодельных ионисторов.

Объектом нашего исследования является самодельный ионистор.

Предметом исследования – возможность использования самодельных суперконденсаторов (ионисторов).

Для достижения данной цели нами были поставлены следующие задачи:

1. Обзор и систематизация литературных источников по данной теме;

2. Провести экспериментальное исследование конденсатора изготовленного в быту.

3. Провести расчет энергетической эффективности самодельного ионистора.

Нами были применены следующие методы исследования:

1. Теоретический анализ и обобщение литературных данных;

2. Экспериментальное исследование и сравнительный анализ полученных результатов.

Научная гипотеза нашего исследования состоит в том, что если повсеместно использовать иониторы, то вред нанесенной нашей планете станет значительно меньше.

. Основная часть.

1. Суперконденсатор - ионистор.

Ионисторы появились сравнительно недавно. Ионистор (суперконденсатор) - это конденсатор накапливающий энергию в виде статистического заряда за счет разности потенциалов, своего рода комбинация конденсатора с электрохимической батареей. [2] Ионисторы могут быть использованы как резервным источником питания. Суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться тысячи раз в силу высокой обратимости механизма накопления энергии. Ионистор – электрохимический конденсатор, обладающий способностью накапливать чрезвычайно большое, по отношению к его размеру и в сравнении с традиционным конденсатором, количество энергии. (рис.1-2. Приложение №1)

В системах пуска автомобилей комбинированное использование ионисторов вместе с АКБ гарантирует запуск двигателя при экстремальных температурах от - 45º С и до 60ºС, увеличение срока службы АКБ в 2 раза, возможность запуска двигателя при разряженной на 70% АКБ, уменьшение необходимой мощности в 2 - 2,5 раза. Однако, все описанные способы применения ионисторов находятся в стадии эксперимента. [5]

1. Принцип работы

Современные ионисторы имеют ультратонкий двойной энергетический слой (d ~ 1 нм) и гигантские площади распределённых в объёме прибора дисперсных электродов, за счет чего емкость ионисторов увеличивается до единиц и десятков Фарад. В качестве электродных материалов в ионисторах используются пористые вещества с внутренней поверхностью до 1000...3000 м²/г. [8]

В процессе зарядки ионистора (рис 2. Приложение №1) в одной его половине на порах угля появляется двойной электрический слой [6] с отрицательными ионами на поверхности, а в другой — с положительными ионами. После зарядки ионы противоположных знаков начинают двигаться навстречу друг другу. При их встрече возникают нейтральные атомы, а накопленный заряд снижается и со временем понижается. Чтобы помешать этому движению, между слоями активированного угля имеется диэлектрический разделительный слой. [7]

IП. Практическая часть.

3.1. Технология изготовления ионистора

Реактивы: активированный уголь, электролит, два угольных электрода, герметик, полимерные салфетки, картонный цилиндр.

Инструменты: Перчатки резиновые, ножницы, изолента, круглая пластиковая емкость, карандаш, ступа для измельчения.

Ход работы:

1. Размельчить активированный уголь; (рис. 4 приложение№2)

2. Обернуть картонный цилиндр сепаратором (полимерной салфеткой); (рис.5. приложение №2)

3. Приклеить ко дну емкости герметиком; (рис.6. приложение №2)

4. Наполнить полученный контейнер углем; (рис.7. приложение №2)

5. Вставить угольные электроды (один в середину, другой сбоку изолированно друг от друга); (рис.8. приложение №2)

6. Карандашом утрамбовать активную массу; (активированный уголь); (рис.9 приложение №2)

7. Активную массу аккуратно смачиваем электолитом, до образования гелевидной пасты; (рис.10-11. приложение №3);

8. Сверху укладываем сепаратор, уплотняем, герметизируем; (рис.12-13. приложение №3)

9. Обматываем изолентой, для уменьшения саморазряда. (рис.14. приложение №3)

3.2. Расчет энергетической эффективности самодельного ионистора.

Напряжение на угольные стержни подавали с лабораторного источника постоянного напряжения выпрямителя «Спутник». Эдс данного элемента 0,8 В, заряжали напряжением 5 В и силой тока 10 мА в течении 1 минуты; (рис. 15. приложение №3, рис 16-17. Приложение № 4).

После отключения данного элемента от источника питания, наблюдали его саморазряд до номинального ЭДС. (рис. 18. Приложение №4)

По истечению 5 мин наблюдалась слабая токоотдача данного элемента, что связано с высоким внутренним сопротивлением. Чем больше газа впитает в себя активированный уголь, тем выше будет его емкость.

Независимо от факторов эксперимента, максимальное напряжение во время заряда равняется напряжению источника питания и сохраняется постоянным во все время подключения ионистора к источнику напряжения.[4]

Сразу после отключения ионистора наблюдался быстрый спад напряжения до некоторого значения и затем плавное понижение напряжения после спада и длительное сохранение ионистором стабильного напряжения после его отключения от источника питания. (рис. 19-20. Приложение №4).

Величина стабильного остаточного напряжения саморазряда зависит от времени заряда ионистора и напряжения источника питания. При напряжении источника питания 5 В напряжение ионистора при саморазряде сохранялось стабильное напряжение 1,2 В, а в аналогично при напряжении источника питания 2,5 В напряжение составило 0,8 В. Чем больше напряжение источника, тем больше остаточное напряжение.

Важно: данный метод работает только при исследовании одного и того же ионистора в различных условиях.

IV. Заключение

В заключение на основе экспериментальных данных хотелось бы сделать следующие выводы:

• ионисторы представляют собой гибрид конденсатора и источника тока;

• было установлено, что данный ионистор сохраняет стабильное напряжение на уровне примерно от начального (зарядного) напряжения после его отключения от источника питания в течение продолжительного времени;

• в начале каждого цикла, кроме первого, на ионисторе сохраняется минимальный остаточный заряд;

• существует прямая зависимость остаточного напряжения саморазряда от напряжения заряда.

1. Список использованной литературы.

   1. Ионистор – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионистор (Дата и время обращения 18.01.2019 16:41)

   2. Деньщиков К. Суперконденсатор: принцип построения, техника и применения — Режим доступа: https://pandia.ru/text/78/057/96067.php (Дата и время обращения 02.02.2019 15:44)

   3. Применение суперконденсаторов EDLC в возобновляемой энергетике. Мировая практика — Режим доступа: https://econet.ru/articles/150609-primenenie-superkondensatorov-edlc-v-vozobnovlyaemoy-energetikemirovaya- praktika (Дата и время обращения 24.01.2019 18:50)

   4. Supercapacitor - Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor (Дата и время обращения 24.01.2019 17:10)

   5. Электрические накопители энергии. Лекция 4 — Режим доступа: http://eef.misis.ru/sites/default/files/lectures/1-3-4.pdf

   6. Ролдугин В.И. Двойной электрический слой. Лекция 9 // Лекции по коллоидной химии для студентов IV курса химического факультета МГУ. – Режим доступа: http:// www . chem . msu . ru / rus / teaching / colloid - roldugin - lectures /09 . pdf (Дата и время обращения 17.01.2019 17:58)

   7. Самодельный ионистор – Режим доступа: http://www.texnic.ru/books/electrotex/el024.htm (Дата и время обращения 18.01.2019 17:32)

   8. Суперконденсаторы для электроники — Режим доступа: http://www.mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=397

   9. Кузнецов М.И. Основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1970. - 368с.

7