Почему применение суперконденсаторов актуально в системах рекуперации
Перейти к содержимому

Почему применение суперконденсаторов актуально в системах рекуперации

  • автор:

Почему применение суперконденсаторов актуально в системах рекуперации

Аверин Андрей Игоревич
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева
Студент 5 курса факультета электронной техники специальности автоматизированные системы обработки информации и управления

Аннотация
Данная статья посвящена проблеме применения суперконденсаторов в производстве лифтов, а конкретно в блоках рекуперации электроэнергии. На сегодняшний день значительная часть лифтов в России устарели и малоэффективны. Передовые разработки в виде суперконденсаторов позволяют вывести лифтовую промышленность на новый уровень, делая лифты не только более комфортными, но также позволяя экономить электроэнергию, что актуально в современных условиях конечности ресурсов.

SUPERCAPACITORS AND THEIR USE IN ENERGY RECOVERY UNITS IN THE PRODUCTION OF MODERN LIFTS

Averin Andrey Igorevitch
Mordovia State University N. P. Ogareva
5th year students of the Faculty of Electronic Engineering specialty automated information processing and control system

Abstract
This article is devoted to the use of ultracapacitors in the production of elevators and particularly in the recovery unit of electricity. Today, a significant portion of elevators in Russia is outdated and ineffective. The advanced development of ultracapacitors allow the lift to bring industry to a new level, making the elevators are not only more comfortable but also allow to save energy, which is important in the present conditions finite resources.

Библиографическая ссылка на статью:
Аверин А.И. Суперконденсаторы и их применение в блоках рекуперации энергии в производстве современных лифтов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 6. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/06/54602 (дата обращения: 24.02.2024).

1. Значение и экономическое обоснование суперконденсаторов

Развитие международной экономической науки и повышение качества жизни прямо пропорционально связано с увеличением потребляемой энергии. Если сопоставить эти зависимости в разрезе времени, то невооруженным взглядом можно заметить, что на единицу прироста ВВП и показателя уровни жизни приходится всё большее количество потребляемой энергии. Что в свою очередь ставит вопрос о поисках энергосберегающих технологии, разработке новых источников энергии и их разумном использовании, так как запасы энергоресурсов конечны, а их стоимость довольно высока.

Одним из способов обеспечения прироста энергоресурсов является переработка потребленной электроэнергии. В самом деле, энергоресурсы, которые могут быть получены в процессе утилизации можно рассчитать по формуле:

где Eутил — энергия, получаемая при утилизации;

Eпотр -потребляемая энергия;

Хотя научно-технический прогресс не стоит на месте, но на сегодняшний день ещё не найден надежный, а главное экономически обоснованный метод утилизации тепловой энергии, зато существует уникальная инженерная разработка для превращения кинетической энергии движущихся тел в режиме торможения. И название такого решения – суперконденсатор.

Суперконденсатор – это устройство, которое занимает промежуточное место между аккумуляторами, способными запасать высокую электрическую энергию, и диэлектрическими конденсаторами, способными отдавать высокую мощность в течение нескольких миллисекунд. Он способен в течении десятых долей секунд подхватить тормозную энергию движущегося объекта с массой от электрокарта до многотонного железнодорожного состава [2].

В следствии чего, суперконденсатор является единственным техническим решением, которое дает возможность рекуперировать энергию торможения движущегося тела и утилизировать до 25% потребленной энергии [6].

2. Отличительные особенности

Суперконденсаторы (ионисторы) представляют собой сверхвысокоемкие конденсаторы с двойным электрическим слоем. Обычный конденсатор имеет большую мощность, но довольно таки слабую способность к накоплению энергии [3]. А ионистор, отличается уникальностью характеристик, позволяющих совмещать достаточно высокую мощность и значительную энергию.

Главным его достоинством является способность в считаные доли секунд, приобретает и отдает заряд, выдерживая огромное количество циклов заряда-разряда без потери рабочих свойств [4].

Всем известные химические источники тока, например, свинцово-цинковые, заряжаются тогда, когда внутри них происходит химическая реакция. Они отдают запасенную энергию, или разряжаются, в результате химической реакции, протекающей в обратном направлении [5]. В суперконденсаторе же какие-либо химические реакции полностью отсутствуют. Накопление энергии происходит в результате концентрации электронов на поверхности электродов. Вследствие чего энергия освобождается в течение интервала времени от миллисекунд до минут, в зависимости от емкости суперконденсатора.

Огромным преимуществом суперконденсаторов по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами является гораздо более высокие значения плотности запасаемой энергии в расчете на единицу объема. Энергия, которую может вписать конденсатор, напрямую зависит от его емкости. Если емкость, а значит, способность запасать энергию, обычного электролитического конденсатора несколько микрофарад, то суперконденсатор такого же размера обладает емкостью в несколько фарад, а емкость больших ионисторов достигает 5000 Фарад. Такие высокие показатели, получены благодаря конструкции электродов, которые, изготавливаются из пористого активированного угля, что позволяет получить поверхность электродов в десятки и сотни раз больше, чем у обычных конденсаторов [1].

— Суперконденсаторы пожаро- и взрывобезопасны;

— обладают высокой механической прочностью;

— устойчивы к кратковременным воздействиям высоких перенапряжений и токам короткого замыкания;

— отсутствие обслуживания в процессе эксплуатации, высокая надежность, большой срок службы;

— диапазон рабочих температур -45°C …+50°C.

Суперконденсаторы не содержат токсических веществ, их строение достаточно просто, эксплуатируемые материалы приемлемые по цене, используемые технологии высокопроизводительны. Это позволяет серийно производить новые суперконденсаторы по относительно не дорогой стоимости.

3. Применение суперконденсаторов

Варианты применения ионисторов поражают своими неожиданными решениями. В радио и микроэлектронике они используются как кратковременные и комбинированные источники тока: в вычислительной, звуковой и видеотехнике, мобильных телефонах, в аппаратуре проводной связи, в медицинских и бытовых электроприборах, в часах, электронных играх, в ксеноновых вспышках фотоаппаратов [7]. Широкое распространение они получили в компьютерах, где используются, в качестве источников питания для модулей памяти. Характеристики суперконденсаторов делают их незаменимыми устройствами в качестве накопителей энергии, например, в качестве источников бесперебойного питания, звеньев силовых импульсных устройств и в иных приборах, где возникает потребность быстродействующего источника энергии.

Ионисторы используются для замены батарей в многочисленных областях. Миниатюрные модели устанавливаются в мобильные телефоны, мощные суперконденсаторы применяются в автомобилях с электрическими или гибридными двигателями. Несмотря на пока еще более низкую плотность запасаемой энергии по сравнению с химическими источниками тока, преимущество их неоспоримо. Например, химические батареи имеют весьма ограниченное число циклов заряда-разряда, требуют много времени для заряда и разряда, химическая реакция, протекающая в процессе циклов заряда-заряда, идет с непостоянной скоростью и проходит с выделением тепла. Вышедшие из строя химические батареи представляют угрозу для окружающей среды. Суперконденсторы уже вытеснили или вытеснят в ближайшее время аккумуляторы, применяемые в системах запуска больших дизельных генераторов, танковых двигателей, двигателей локомотивов и даже подводных лодок.

4. Применение суперконденсаторов в лифтах

Широкое применение суперконденсаторы получили в лифтах. А конкретно в блоках рекуперации энергии. Применение блока рекуперации энергии для безредукторного привода лифта, позволяет высвобождать дополнительную энергию во время движения загруженной кабины вниз или пустой кабины вверх, а также во время торможения кабины лифта. Безредукторный привод в такие моменты работает в генераторном режиме, преобразует кинетическую энергию движения кабины в электрический ток, который запасает суперконденсатор и возвращает её обратно в сеть, для использования в других целях. Тем самым происходит экономия энергии до 20% [8].

Количество экономии энергии зависит от разных факторов, таких как: загрузка кабины, скорость, высота подъема. Энергетическая эффективность пассажирского лифта приведена на рисунке 1.

Рисунок. 1 — Энергетическая эффективность пассажирского лифта

Данный график отражает экономию энергии для лифта грузоподъёмностью 1000 кг. Красный цвет отражает энергопотребление при использовании обычной двух скоростной редукторной лебедки. Зеленым цветом выделено потребление электроэнергии безредукторным приводом с частотным преобразователем, что значительно сокращает потребление энергии. Максимальная же экономия электроэнергии достигается за счет установки блока рекуперации, в основе которого лежат суперконденсаторы, показана голубым цветом.

5.Типовая схема блока рекуперации

Блок рекуперации энергии независимо от кинематических особенностей схем построения электроустановок включает в свой состав батарею суперконденсаторов, устройство их разряда и заряда, преобразователя постоянного тока в переменный и его выпрямителя, а также системы контроля, диагностики и управления. Структура системы накопления энергии представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Структура системы накопления энергии с применением суперконденсаторов

В режиме трогания кабины лифта с места и последующего разгона в качестве резервуара для накопления электроэнергии выступает батарея суперконенсаторов. Она обеспечивает равномерное движение кабины и рекуперацию кинетической энергии движения в электрическую при её торможении.

AC-DC выпрямитель переменного тока, а также DC-AC преобразователь постоянного тока в переменный обеспечивают рабочий режим функционирования батареи суперконденсаторов среди агрегатов, работающих на переменном токе. Эти устройства обладают особенностью работы в широком диапазоне напряжений и частот используемого переменного тока.

Устройство заряда обеспечивает накопление энергии в батарее суперконденсаторов. Это происходит в момент непрерывно понижающегося напряжения источника заряда, что характерно для осуществления рекуперации энергии в режиме торможения.

В качестве устройства для оптимизации процесса отдачи электроэнергии при разряде выступает устройство разряда.

Система управления диагностики и обеспечения контроля, служит для функционирования системы накопления энергии в автоматическом режиме опираясь на оперативный анализ информации о текущих значениях параметров устройств системы аккумуляции энергии следствием создания управляющих воздействий по определенным заданным алгоритмам.

Выводы

Делая выводы можно сказать о том, что суперконденсаторы в наше время являются особо перспективным инженерным решением, которое применимо в различных отраслях науки, промышленности и техники. Благодаря совершенствованию нано технологий, в ближайшее будущее суперконденсаторы значительно увеличат объём запасаемой ими энергии при уменьшении своей стоимости, тем самым спектр их применения возрастет в разы.

  1. Von Helmholt H. Studien uber elektrische Grenzshichten.— Ann. der Physik und Chernie, 1879, Bd VII, № 7
  2. Lewandowski A., Galinski M. Practical and theoretical limits for electrochemical double-layer capacitor // Journal of Power Sources. 2007. 173. P. 822–828
  3. Иванов А.М., Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя. Электричество, №8, 1991г., с. 16 -19.
  4. Kotz R., Carlen M. Principles and applications of electrochemical capacitors, Electrochimica Acta. 2000. 45. P. 2483-2498.
  5. K. Denshchikov, Stacked Supercapacitor Technology – New Perspectives & Chances, Supercaps Europe – European Meeting on Supercapacitors: Development and Implementation in Energy and Transportation Techniques,Berlin,Germany, Nov.2005.
  6. Denshchikov K.K., Zhuk A.Z., Izmaylova M.Y, Gerasimov A.F., New Generation of Stacked Supercapacitors, First International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors, Universite de Nantes, France, June 30 th – July 2 nd 2009.
  7. K.Denshchkov, A.Zhuk, M. Izmaylova, Specific features of energy storage of supercapacitors with ionic liquid electrolyte, COST Action 542 High Performance Energy Storages for Mobile and Stationary Applications, INRETS, Paris, France, June 5 -7, 2008.
  8. Богницкий И.Я., Герасимов А.Ф., Ефимов С.Е., Иванов А.М., Фомин А.В., Чижевский С.В., Патент Ru №2041518, Конденсатор с двойным электрическим слоем, Бюллетень изобретений Комитета РФ по патентам и товарным знакам, 1995, #22.

© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Суперконденсаторы — альтернатива аккумуляторам в беспроводной периферии

За последние годы мы привыкли к стремительному темпу развития цифровой техники. Но если одни категории комплектующих (такие как микропроцессоры или модули памяти) действительно совершенствуются с поистине космической скоростью, то по ряду других направлений прогресс не столь заметен. К числу последних относятся перезаряжаемые источники питания. И это, безусловно, создает определенные проблемы, поскольку от характеристик этих компонентов зависят такие важные параметры, как продолжительность автономной работы, время восстановления заряда, а также размеры и вес конечного продукта.

Тонкости выбора источника питания

В настоящее время в портативных электронных устройствах применяются источники питания нескольких различных типов. Такое разнообразие не является капризом разработчиков, а имеет вполне логичное объяснение. Например, в случае мобильных устройств — таких как смартфоны, планшеты или ноутбуки — приоритетное значение имеет удельная энергоемкость (то есть количество запасаемой электроэнергии на единицу объема аккумуляторной батареи). Чем выше этот показатель, тем больше будет емкость батареи при тех же физических габаритах. Таким образом, установка батареи с более высокой удельной энергоемкостью позволит продлить время автономной работы мобильного устройства, не увеличивая его размеры — что крайне важно, учитывая нынешнюю моду на гаджеты в максимально тонких корпусах. Именно поэтому в современных смартфонах и планшетах применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторные батареи, которые на данный момент лидируют в категории малогабаритных перезаряжаемых источников питания по удельной энергоемкости.

Однако при разработке беспроводных периферийных устройств приоритеты будут совершенно иными. Поскольку уровень энергопотребления беспроводных мышей и клавиатур по сравнению с теми же смартфонами невелик, то и острой необходимости в использовании источников питания с рекордно высокой энергоемкостью в этом случае нет. Кроме того, нет и жестких ограничений по массо-габаритным показателям. Таким образом, во многих случаях разработчики делают выбор в пользу пусть не самого компактного, но зато более легкого и/или менее дорогого источника питания.

Не случайно на протяжении уже многих лет наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли беспроводных периферийных устройств, рассчитанных на питание от стандартных батареек формата АА либо ААА. Наиболее очевидными преимуществами данного решения являются доступность и максимальная простота использования. Стандартные элементы питания можно купить практически в любом магазине. Кроме того, при полном разряде батарейки достаточно установить вместо нее новую, и можно сразу же продолжить работу. Не нужны дополнительные кабели, зарядные устройства и т.п. Как говорится, дешево и сердито.

Большинство ныне выпускаемых моделей беспроводных мышей рассчитаны на питание от стандартных батареек

Большинство ныне выпускаемых моделей беспроводных мышей рассчитаны на питание от стандартных батареек

С этих позиций использование аккумуляторных батарей в беспроводных периферийных устройствах выглядит менее удобным. Для подзарядки требуется определенное время (обычно 2-3 часа), и при этом конструкция далеко не всех моделей позволяет продолжать работу при подключении внешнего источника питания. Как следствие, пользователю необходимо следить за индикатором уровня заряда, чтобы беспроводная мышь или клавиатура не отключилось в самый неподходящий момент.

Еще одним фактором, ускорившим процесс перехода производителей беспроводной периферии на питание от батареек, стал значительный прогресс в области снижении уровня энергопотребления электронных компонентов, которого удалось достичь разработчикам в последние годы. Современные модели беспроводных мышей и клавиатур способны проработать на одном комплекте батареек как минимум несколько недель и даже месяцев. Таким образом, менять элементы питания даже при активном использовании приходится нечасто.

Естественно, имеет значение и цена. Установка весьма недешевых литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов неизбежно приводит к удорожанию устройства. А это крайне важно, когда речь идет о моделях стоимостью порядка 20-30 долл. Кроме того, аккумуляторные батареи упомянутых типов имеют ограниченный ресурс — обычно от 500 до 1000 циклов заряда-разряда. Таким образом, при интенсивном использовании именно ресурс аккумулятора становится критичным фактором, ограничивающим жизненный цикл устройства.

Итак, батарейки дешевы, доступны и удобны. Чем не идеальный вариант для беспроводной клавиатуры или мыши? Однако не будем забывать, что у батареек есть и свои недостатки: они заметно утяжеляют устройства (что может быть критично, если речь идет о беспроводной мыши) и к тому же их пусть и редко, но необходимо время от времени менять. Что же могут предложить разработчики в качестве альтернативного варианта?

Еще не забытое старое

Одним из наиболее перспективных вариантов являются суперконденсаторы или, как их правильнее называть, ионисторы (англоязычные авторы для обозначения этих элементов часто используют аббревиатуру EDLC, которая расшифровывается как Electric double-layer capacitor). Первые образцы суперконденсаторов были созданы более 50 лет тому назад. В настоящее время они применяются в ряде электроприборов (в частности, в карманных фонариках, фотовспышках и пр.) в качестве основных и резервных источников питания. Кроме того, благодаря своим свойствам суперконденсаторы являются идеальным накопителем электроэнергии для систем рекуперации кинетической энергии, которыми оснащаются многие выпускаемые сейчас транспортные средства с электрическими и гибридными силовыми установками.

Внешне ионистор похож на электролитичекий конденсатор, однако при тех же размерах имеет значительно большую емкость (у образца, представленного на этой фотографии, она составляет 3000 фарад)

Внешне ионистор похож на электролитичекий конденсатор, однако при тех же размерах имеет значительно большую емкость (у образца, представленного на этой фотографии, она составляет 3000 фарад)

Важнейшими достоинствами суперконденсаторов в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами являются высокая скорость заряда, эффективность и огромный ресурс.

Суперконденсаторы способны запасать большое количество энергии в течение короткого промежутка времени, что позволяет сократить время подзарядки до минимума. Кроме того, ионисторы характеризуются высокой эффективностью. Если современные литий-ионные аккумуляторы способны отдать лишь порядка 60% электроэнергии, затраченной на их зарядку, то у суперконденсаторов этот показатель превышает 90%.

Еще одно важное преимущество — огромный ресурс. У литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов существенная деградация (снижение емкости относительно первоначального значения) наблюдается уже после нескольких сотен циклов заряда-разряда. А суперконденсаторы способны выдержать без заметной деградации порядка нескольких десятков тысяч циклов.

Образцы суперконденсаторов различной емкости

Образцы суперконденсаторов различной емкости

В числе прочих преимуществ можно отметить малый удельный вес и экологичность. Благодаря низкой токсичности материалов, из которых изготавливаются ионисторы, их гораздо проще и безопаснее утилизировать, чем литиевые, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы.

Возможно, здесь у читателей возникнет вполне закономерный вопрос: если уже более полувека известны такие замечательные источники питания, то почему они до сих пор не получили широкого распространения в цифровых устройствах? Дело в том, что наряду с перечисленными выше достоинствами у суперконденсаторов имеются и свои недостатки. Наиболее существенные из них — это довольно низкая удельная энергоемкость, нелинейная кривая разряда, а также большой ток саморазряда.

Показатель удельной плотности запасаемой энергии у современных суперконденсаторов составляет от 7 до 9 Вт•ч на литр объема. Для сравнения: у ныне выпускаемых литий-ионных аккумуляторов этот показатель варьируется в пределах 250-400 Вт•ч на литр.

Из-за большого тока саморазряда ионисторы не подходят для долговременного хранения электроэнергии. Кроме того, кривая разряда суперконденсаторов нелинейна: напряжение на выходе зависит от оставшегося заряда.

В силу вышеизложенных причин выпускаемые в настоящее время ионисторы непригодны для использования в мобильных устройствах, где первоочередное значение имеет соотношение размеров и энерогоемкости батареи. Однако для беспроводных периферийных устройств суперконденсаторы являются весьма интересной альтернативой одноразовым батарейкам.

В этом случае пригодятся такие свойства ионисторов, как высокая скорость заряда и высокая эффективность. Владельцу беспроводной мыши или клавиатуры не придется ждать 2-3 ч, как в случае устройств с литиевыми аккумуляторами: для восстановления заряда хватит всего нескольких минут. За это время можно накопить запас энергии, которой хватит на несколько часов активной работы, а при не очень интенсивном использовании — даже на целый день. Например, полный цикл заряда оборудованной встроенным суперконденсатором беспроводной мыши Genius DX-ECO, которую мы тестировали пару лет тому назад, составляет всего 5 минут, а накопленной за это время электроэнергии хватает на 4 ч работы.

Источником питания беспроводной мыши Genius DX-ECO служит встроенный суперконденсатор

Источником питания беспроводной мыши Genius DX-ECO служит встроенный суперконденсатор

Конечно, подзаряжать беспроводное устройство, оснащенное ионистором, придется ежедневно (а возможно, даже чаще). Однако, как уже было упомянуто, данная процедура займет всего несколько минут — как раз хватит времени выпить чашечку кофе или просто немного отвлечься от компьютера. А поскольку суперконденсаторы обладают огромным ресурсом, то даже при условии нескольких ежедневных подзарядок срок службы устройства составит не менее десяти лет.

Важным преимуществом суперконденсаторов в сравнении с литиевыми аккумуляторами и обычными батарейками является заметно меньший вес. А это значит, что та же беспроводная мышь, оборудованная ионистором, будет лишь немногим тяжелее проводного аналога.

Перспективы

Итак, суперконденсаторы обладают высокой скоростью заряда и энергоэффективностью, а также огромным ресурсом. Благодаря низкой токсичности материалов их гораздо проще и дешевле утилизировать, чем литиевые аккумуляторы. Такое сочетание свойств делает суперконденсаторы весьма перспективным вариантом для использования в качестве перезаряжаемых источников автономного питания беспроводных периферийных устройств. А что касается необходимости часто подключать кабель для подзарядки, то эту проблему нетрудно решить, применив беспроводное зарядное устройство — тем более, что подобные решения сейчас уже начинают появляться на массовом рынке.

Благодаря внедрению новых материалов в будущем станет возможным создание суперконденсаторов с гораздо более высокой (по сравнению с ныне выпускаемыми) удельной плотностью запасаемой энергии. Большие надежды специалисты возлагают на разработку графеновых суперконденсаторов. Использование этого инновационного материала позволит уже в ближайшее время создать образцы с удельной плотностью запасаемой энергии порядка 60 Вт•ч на литр. Конечно, это значительно меньше по сравнению с современными литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, но уже вполне сопоставимо с характеристиками свинцово-кислотных батарей. И можно не сомневаться в том, что развертывание серийного выпуска графеновых суперконденсаторов позволит значительно расширить сферу применения этих источников питания. Ими можно будет оснащать не только беспроводные манипуляторы и клавиатуры, но и портативные акустические системы, а также источники бесперебойного питания небольшой мощности.

  • ПК и комплектующие
    • Настольные ПК и моноблоки
    • Портативные ПК
    • Серверы
    • Материнские платы
    • Корпуса
    • Блоки питания
    • Оперативная память
    • Процессоры
    • Графические адаптеры
    • Жесткие диски и SSD
    • Оптические приводы и носители
    • Звуковые карты
    • ТВ-тюнеры
    • Контроллеры
    • Системы охлаждения ПК
    • Моддинг
    • Аксессуары для ноутбуков
    • Принтеры, сканеры, МФУ
    • Мониторы и проекторы
    • Устройства ввода
    • Внешние накопители
    • Акустические системы, гарнитуры, наушники
    • ИБП
    • Веб-камеры
    • KVM-оборудование
    • Сетевые медиаплееры
    • HTPC и мини-компьютеры
    • ТВ и системы домашнего кинотеатра
    • Технология DLNA
    • Средства управления домашней техникой
    • Планшеты
    • Смартфоны
    • Портативные накопители
    • Электронные ридеры
    • Портативные медиаплееры
    • GPS-навигаторы и трекеры
    • Носимые гаджеты
    • Автомобильные информационно-развлекательные системы
    • Зарядные устройства
    • Аксессуары для мобильных устройств
    • Цифровые фотоаппараты и оптика
    • Видеокамеры
    • Фотоаксессуары
    • Обработка фотографий
    • Монтаж видео
    • Операционные системы
    • Средства разработки
    • Офисные программы
    • Средства тестирования, мониторинга и диагностики
    • Полезные утилиты
    • Графические редакторы
    • Средства 3D-моделирования
    • Веб-браузеры
    • Поисковые системы
    • Социальные сети
    • «Облачные» сервисы
    • Сервисы для обмена сообщениями и конференц-связи
    • Разработка веб-сайтов
    • Мобильный интернет
    • Полезные инструменты
    • Средства защиты от вредоносного ПО
    • Средства управления доступом
    • Защита данных
    • Проводные сети
    • Беспроводные сети
    • Сетевая инфраструктура
    • Сотовая связь
    • IP-телефония
    • NAS-накопители
    • Средства управления сетями
    • Средства удаленного доступа
    • Системная интеграция
    • Проекты в области образования
    • Электронный документооборот
    • «Облачные» сервисы для бизнеса
    • Технологии виртуализации
    1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    Почему применение суперконденсаторов актуально в системах рекуперации

    pr6.jpg

    Что объединяет простые, экономически выгодные желания: чтобы многочисленная техника, работающая на мазуте и солярке в условиях сильного мороза, потребляла на треть меньше топлива? Чтобы огромный электрический рельсовый парк страны (ж.д. поезда, трамваи, метро) потреблял в два раза меньше электроэнергии? Чтобы техника в Арктике даже при минус 50 по Цельсию заводилась «с полпинка»? Оказывается, все эти разные экономически «вкусные» установки — уже воплощаются в жизнь у нас, в России. И — для меня это было открытием — при этом мы не зависим от страны-производителя, которая может в один момент отвернуться от нас, отказаться от поставок по любой причине. Так как производитель — отечественный.

    Знакомьтесь… Итак, представляю вам нашего «главного героя»: суперконденсатор производства «ТЭЭМП». Его история начинается еще в 2011 году. Российские ученые (НИТУ) и инженеры компании «ТЭЭМП» разработали уникальную технологию, позволяющую сделать возможным сбор и хранение рекуперированной энергии.

    Ну и что такого, спросит скептик, наслышанный, что за рубежом это уже делают.

    Отвечу. Во-первых, это — отечественная разработка на базе собственной запатентованной технологии. Во-вторых, это уже не «золотая» технология, которая применяется с оговорками про завтра и послезавтра. Новые разработки позволили изготовить системы накопления энергии (СНЭ) с внятным сроком окупаемости в 5–5,5 лет. И применять их сегодня. При этом в расчетах окупаемости нет субсидирования, государственной поддержки, специальных тарифов.

    Я с огромным интересом побывал на производстве суперконденсаторов и СНЭ в городе Химки в Московской области.

    Впечатляет то, что уникальная производственная линия работает как часы. Большая часть сложного оборудования спроектирована российскими инженерами, что-то изготовлено в России, что-то — за рубежом. Абсолютная стерильность на производстве. Как на фото с производства чипов, где специалисты работают в халатах, бахилах и масках. Даже вход в цех осуществляется через шлюзы с разным давлением (во избежание пыли).

    Что еще удивило? То, что разработчики суперконденсатора были нацелены не только на достижение технических, но и максимально экологически чистых параметров. Ячейка состоит из 95% полностью перерабатываемых материалов: алюминий, активированный уголь и органические компоненты. И даже электролит — экологически чистый на основе пропиленкарбоната. Поясню, почему это важно: в ряде зарубежных суперконденсаторов при пожаре они выделяют ядовитые газы, здесь же расчет был на максимальную безопасность.

    pr7.jpg

    Где применять? Теперь же поговорим о практическом применении СНЭ. Россия находится в самом начале пути широкого применения систем накопления энергии.

    Трамвайный парк. Уже проведены испытания в Санкт-Петербурге: на трамвай была установлена система сбора энергии, которая позволила превратить его в своего рода мини-электростанцию. За день трамвай произвел 145 кВт•ч энергии. А это — на секундочку — порядка 40% от потребляемой им энергии.

    А теперь посчитаем. В стране 7700 трамваев. Если их оснастить системами накопления, то за год это позволит выработать порядка 400 000 МВт•ч (примерно 2,2 млрд рублей в денежном эквиваленте). И экологический факт: на 180 000 тонн за счет этого можно снизить выбросы СО2!

    pr8.jpg

    Метрополитен. Сейчас вся энергия торможения выделяется в тепло через резисторы. И столько же энергии требуется на охлаждение для системы кондиционирования туннелей. Если применять систему рекуперации с использованием СНЭ, это позволит сгенерировать около 13,6 % от общего энергопотребления поездов метро.

    Электрический рельсовый транспорт.

    Конечно, в рамках одной публикации обо всех возможностях не рассказать. Можно вспомнить об огромном количестве лифтов в стране. Испытания проведены, эффективность очень высокая. Есть подъемно-транспортное оборудование, на котором за счет системы рекуперации можно вырабатывать около 75% от затраченной энергии.

    Даже для ветряков, которые сами производят энергию, чтобы развернуть и «толкнуть» их лопасти для работы, применяются системы на основе суперконденсаторов.

    Где еще можно использовать? Важно, что специалисты «ТЭЭМП» открыты к диалогу: им интересны предложения КАК и ГДЕ можно использовать рекуперацию и СНЭ.

    pr10.jpg

    Они готовы экспериментировать, готовы делать сложные расчеты вместе с заказчиком. Когда я был на производстве, заметил собранные и готовые к отправке СНЭ, которые предназначаются для систем передачи тяжелого груза с борта на борт, и в том числе для тралов рыболовецких судов. И благодаря этому заказчик избавится от гораздо более тяжелой гидравлической системы балансировки. Этот случай показывает, что идеи, где и с какой целью можно использовать новые возможности суперкоденсаторов, могут быть самыми неожиданными.

    Михаил Лифшиц, Председатель Совета директоров АО «Ротек», отвечает на вопросы «ЭПР»

    Михаил Лифшиц

    — Можно ли ожидать увеличения масштабов использования суперконденсаторов и СНЭ в России?

    — Если сравнивать с тем, что было еще 5 лет назад, то, конечно, уже есть заметное увеличение масштабов. Так, мы уже поставили наше оборудование примерно на 2000 тепловозов для РЖД. Это дает огромный экономический и экологический эффект. Также наши суперконденсаторные системы защиты ЧРП (частотно-регулируемых приводов) обеспечивают бесперебойную работу высокотехнологичного и чувствительного к качеству электроснабжения оборудования на объектах нефтеперерабатывающего комплекса.

    — А если говорить о сфере электропотребления.

    — Сейчас, в эпоху цифровизации, предъявляются повышенные требования к качеству поставляемой электроэнергии. То есть если у тебя стоит станок с ЧПУ или частотно-регулируемый привод на кране, а в это время кто-то в соседнем цехе включил, не подумав, на том же фидере сварочный аппарат, то у тебя «упадет» и то и другое. Потому что пусковой ток, который заберет на себя сварка, даст пик вниз, а если у тебя в цепи стоит этот суперконденсатор, этого пика просто не будет. Совсем.

    — Есть ли примеры использования ваших СНЭ для жилого сектора?

    — Да, конечно. Если мы посмотрим в графу платежного документа на общедомовые нужды, то 60% потребления приходится на лифтовое хозяйство. Мы провели ряд испытаний нашей системы Energy ReCycler на лифтах в Москве и в Самаре. Полученные результаты позволят обеспечить снижение энергозатрат собственных нужд дома на 20%.

    Рекуперация энергии: принцип действия и области применения

    You are currently viewing Рекуперация энергии: принцип действия и области применения

    В мире, где эффективное использование ресурсов становится все более актуальной задачей, концепция рекуперации энергии приобретает всё большее значение – от возобновляемых систем, способных собирать избыточную солнечную энергию и возвращать ее в сеть, до рекуперативных источников питания в автомобилях, которые предоставляют надежный и экономичный расход электропитания. В этой статье мы попробуем добраться до сути этой фундаментальной концепции, объясняя, почему рекуперация становится ключом к достижению высокой производительности и устойчивости в современных технологических системах.

    Что такое рекуперация

    Рекуперация – это процесс восстановления или возврата части энергии, которая обычно теряется при выполнении определенной работы или процесса. Термин используется в различных контекстах, но его основное значение связано с восстановлением энергии или ресурсов в технических, инженерных или физических системах. Название термина произошло от латинского слова «recuperare», что означает «восстановление» или «возвращение». Именно это и является основной идеей рекуперации – вернуть утраченную энергию обратно в систему для ее дальнейшего использования.

    В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с потерей энергии, даже не замечая этого. Например, когда тормозим автомобиль, кинетическая энергия, которую он приобрел при движении, просто рассеивается в виде тепла и звука. То же самое происходит и в многих других системах, где используются движение и энергия. Основная идея рекуперации заключается в том, чтобы захватывать и сохранять часть этого теряющегося ресурса, а затем применить ее вновь – это позволит увеличить эффективность систем и, соответственно, снизить расход энергоресурсов.

    Как работает система рекуперации

    Система рекуперации в двунаправленных источниках питания используется для эффективного управления энергией в месте ее хранения, включая аккумуляторные батареи или суперконденсаторы. Она позволяет переключаться между двумя режимами работы: зарядки и разрядки, а также выполнять их одновременно при необходимости.

    В режиме заряда источник энергии (например, солнечные панели или генератор) преобразует доступную энергию в электрический ток и напряжение, затем подает его на двунаправленный источник питания, который преобразует поступающий ресурс в нужный формат для зарядки хранилища (аккумулятора или суперконденсатора). Когда оборудование начинает потреблять больше энергии, чем генерируется в данный момент, двунаправленный ИП может конвертировать энергию из хранилища в электрический ток и напряжение, которое поступает обратно в систему, тем самым уравновешивая баланс.

    В некоторых случаях, например, когда есть избыток энергии от источника, а также есть потребность в ней со стороны потребителя, система рекуперации может одновременно выполнять и зарядку, и разрядку – она направляет часть энергии на заряд хранилища и часть на питание потребителя. Системы учитывают потребность в ресурсе, состояние батарей, качество сигнала (если это связано с коммуникациями), и многое другое, чтобы определить, когда и как лучше всего использовать сохраненную энергию.

    Itera Рекуператор ITECH

    Источник питания с рекуперацией энергии

    Современный рынок располагает передовыми источниками питания, оснащенными системой рекуперации энергии. Одним из таких является продукт серии IT6000B, произведенный компанией «Itech». Рассмотрим возможности рекуперативных ИП на примере данной модели.

    Используя передовую технологию SiC, данная модель может использоваться не только как автономный двунаправленный источник питания, но и как независимая рекуперативная электронная нагрузка, поглощающая потребляемую энергию и отдающая ее обратно в сеть питания. ИП обладает стандартной двухквадрантной функциональностью и обеспечивает 7 спецификаций напряжения, вплоть до 2250 В, поддерживая параллельную работу в режиме «главный-ведомый» (от англ. Master/Slave) с равномерным распределением тока до 2 МВт. Встроенный генератор поддерживает генерацию сигналов произвольной формы, а также импорт LIST-файлов через USB.

    Приборы имеют функциональную кнопку на панели для удобного управления двумя квадрантами: либо как двунаправленный программируемый источник питания постоянного тока, либо как электронная нагрузка постоянного тока с функцией рекуперации. ИП может быстро и непрерывно переключаться между режимами источника и стока, что позволяет эффективно избегать перегрузки напряжения/тока. В связи с этим устройство часто применяется для тестирования батарей, оборудования для упаковки элементов, плат защиты батарей и так далее.

    Результативность преобразования может достигать 95%, что не только значительно снижает затраты на электроэнергию, но и позволяет избежать использования кондиционеров или дорогостоящих систем охлаждения. Помимо высокой стоимости электричества, при его производстве выделяется большое количество углекислого газа, диоксида серы, оксидов азота и других парниковых или вредных газов, наносящих вред окружающей среде. Благо, современные приборы располагают противодействующими возможностями для снижения этого пагубного воздействия.

    Функция приоритета режимов стабилизации CC/CV удовлетворяет требования предотвращения перегрузки и обеспечения максимального тока, а также может сделать испытания более гибкими. В связи с этим прибор подходит для тестирования мощных интегральных схем, зарядки и разрядки, а также моделирования переходных процессов в автомобильной электронике

    Пользователи могут использовать программное обеспечение для вывода, измерения и отображения максимальной мощности и отслеживания состояния сетевых фотоэлектрических инверторов в режиме реального времени, записывая и сохраняя эти значения. Также возможно моделировать различные кривые, тестировать статические и динамические характеристики MPPT и генерировать соответствующие отчеты.

    Itera схема рекуперации

    Применение рекуперативного источника питания

    Семейство двунаправленных рекуперативных систем питания обладает отличными характеристиками, широко применяемыми в мощных аккумуляторах, автомобильной электронике, возобновляемой «зеленой» энергетике, высокоскоростных испытаниях, информационных центрах и серверных комнатах, а также других возможных отраслях, требующих увеличения эффективности генерации и распределения энергии.

    АКБ высокой мощности

    Рекуперативные источники питания с высокой мощностью представляют собой инновационные устройства, спроектированные для обеспечения стабильного и эффективного электропитания в ситуациях, где потребность в выходной мощности высока и критически важна. Рассмотрим наиболее востребованные варианты применения таких приборов:

    • Телекоммуникационные станции – сотовые базовые станции и другое оборудование в телекоммуникационной инфраструктуре требуют постоянного питания для предоставления связи при любых условиях. АКБ высокой мощности дают возможность сохранять энергию, например, при снижении ее потребления в ночное время суток, и затем использовать ее в периоды своей повышенной активности, снижая нагрузку на сеть и увеличивая надежность связи;
    • Энергетические системы солнечных и ветровых установок – в возобновляемой энергетике важность наличия мощного рекуперативного прибора является основополагающей, поскольку он сохраняет избыточную энергию, произведенную в периоды высокой активности ветра или солнечного света, и используют ее в моменты острой нехватки;
    • Промышленные системы автоматизации и аварийного питания – в промышленности такие устройства нужны для формирования непрерывности работы автоматических систем и оборудования, что имеет критическое значение для безопасности и повышения КПД. В случае сбоев основного электроснабжения, источники обеспечивают плавное переключение на батарейное питание;
    • Электрические и гибридные автомобили – аккумуляторные батареи могут собирать и восстанавливать часть энергии, которая обычно теряется при торможении, и затем использовать ее для увеличения заряда батареи и, соответственно, продолжительности поездки.

    Автомобильная электроника

    Современные автомобили являются настоящими технологическими инновациями, оборудованными множеством электронных систем, которые обеспечивают безопасность, комфорт и эффективность вождения. Так, рекуперативные источники питания играют важную роль в формировании правильной работы этих систем в автомобилях. Давайте рассмотрим, как эти приборы применяются в автомобильной электронике:

    • Системы старта-стоп – предназначены для автоматического выключения двигателя в случае остановки (например, на светофоре) и его моментального включения при нажатии на педаль акселератора. Рекуперативный ИП сохраняют энергию, обычно расходуемую на пуск двигателя, и затем используют ее для питания других электронных систем в автомобиле, чтобы сэкономить топливо и снизить выбросы вредных веществ в городских условиях;
    • Рекуперация энергии при торможении – многие современные автомобили оснащены рекуперативными системами, которые преобразуют кинетическую энергию, создаваемую при торможении, в электрическую. Такие ИП накапливают ее для зарядки аккумуляторов, питания систем электроники или других электронных устройств в автомобиле, тем самым увеличивая эффективность использования энергии и снижая расход ресурсов;
    • Системы безопасности и информационно-развлекательные системы – антиблокировочная система тормозов (ABS), системы управления устойчивостью (ESP) и подушки безопасности требуют надежного источника питания. Рекуперативные устройства, в свою очередь, дают непрерывное питание этих систем даже при изменяющихся условиях работы двигателя;
    • Системы информационно-развлекательного центра – современные автомобили также оснащены разнообразными навигационными и мультимедийными системами, а также сенсорными экранами, стабильное и бесперебойное питание которых осуществляется посредством применения ИП с рекуперацией энергии.

    Возобновляемая энергетика

    Солнечные и ветровые установки задействуют метод рекуперации для улучшения эффективности своей работы, что особенно практично в периоды нехватки солнечного света и ветра. Рассмотрим, как рекуперативные источники питания используются в возобновляемой энергетике.

    • Сбор и хранение избыточной энергии – солнечные и ветровые установки генерируют избыточную энергию в периоды своей высокой активности (солнечный день или ветренная погода). Рекуперативные источники питания предназначены для сохранения этой энергии, которая в противном случае была бы утрачена;
    • Поддержка непрерывной поставки энергии – приборы РИП осуществляют непрерывную поставку электроэнергии даже при временной остановке ее генерации. В моменты, когда солнце скрыто за облаками или ветер ослаб, аккумулированная энергия может быть мгновенно возвращена в сеть, чтобы поддерживать нормальное энергоснабжение;
    • Сглаживание пиков и спадов нагрузки – периоды наивысшей потребности в электроэнергии требуют задействование аккумулированной энергии, благодаря чему повышается стабильность работы всей системы, а также исключается формирование перегрузок или нехватки ресурса.

    блок рекуперации Itech

    Поставщик источников питания

    Компания «Итера» занимается поставкой научного-исследовательского и контурно-измерительного оборудования, располагая широким ассортиментом двунаправленных источников питания с рекуперацией энергии, среди которых IT6005B-80-150, IT6006B-300-75, IT6006B-500-40 и другие модели производства «Itech». Всех их объединяет идеальное сочетание мощности и эффективности (с рекуперацией энергии на уровне 95%), обеспечивающее бесперебойное электропитание для вашего оборудования.

    Приборы подойдут как для научных и исследовательских целей, где требуется высокая точность и надежность наряду с непоколебимой стабильностью напряжения и тока, так и для промышленных объектов, предполагающих интеграцию с сетью питания и возможностью управления распределением энергии. Представленные модели обладают необходимым интеллектуальными функциями, которые оптимизируют энергопотребление и экономят ваши ресурсы, при этом являются весьма компактными при своей высокой производительности.

    Заключение

    Рекуперация энергии – это инновационный подход к оптимизации энергетических систем, позволяющий не только эффективно использовать ресурсы, но и улучшить надежность и устойчивость работы различных устройств и систем, при этом открывая новые горизонты для снижения негативного воздействия на окружающую среду. Рекуперативные источники питания дают возможность собирать и снова пускать в работу энергию, которая ранее терялась или просто не использовалась – они снижают ее потери энергии, сглаживают колебания в энергоснабжении и улучшают КПД энергетических систем.

    Рубрики

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *