Důležité:    DF MoNaKo - diskuze    Chat    Členové    Kalendář akcí    Galerie    Partnerské weby

   Můžete se registrovat!    Ukažte obrázky svých modelů!    Jak napsat článek?    Napište nám   

Kategorie článků
Vyhledávání
Model Club MoNaKo
MC MoNaKo

Otevřené sdružení lodních modelářů nejen z celé ČR...
Modelářský klub MoNaKo


Čtenář
Jméno:
Heslo:


Registrace | Info
Zapomenuté heslo

Chat - popovídejte si

Přehledy
Stálé odkazy
RSS

Pokud chcete odebírat naše články přes RSS, do své čtečky RSS kanálů zadejte tuto adresu. Též můžete použít odebírání nových tématpříspěvků z DF.

Vše naráz přímo na plochu svého PC získáte s miniaplikací MoNaKo-Mini:

MoNaKo-Mini

Čtenářské galerie
Parny remorker LANA
Vysledok z KECUPU
zobrazení: 2542
známka: 1.00
Zajímavý odkaz
Thingiverse.com

Všem, kteří si pořídili 3D tiskárnu, by se mohla hodit tato stránka, na které naleznou řadu připravených věcí k tisku (a to i z oblasti lodních modelů).

Historie zajímavých odkazů

Partneři

MoNaKo - ikona

Pokud přidáte ikonu MoNaKa na svůj web, na oplátku přidáme odkaz na Vaše stránky mezi naše partnery.

Správa webu a DF

O tyto stránky se stará: MoNaKo Web Team

Návštěvnost
Mapa přístupů
Licence

Licence Creative Commons

Novinky
09.09.2018:

Kdo se o víkendu chystáte na soutěž Moravského poháru 2018 do Dolního Žlebu, mějte na paměti, že v sobotu 15. září bude příjezdová komunikace od 7:45 h uzavřena! K nádrži musíte svými vozy dorazit dříve!


09.09.2018:

Web KLoM.cz, na kterém mimo jiného běží "náš" kalendář akcí lodních modelářů, zaznamenal 100 tisíc návštěv.


01.09.2018:

Průběžné výsledky seriálu soutěží plachetnic Footy v Čechách 2018 nyní obsahují stav před poslední soutěží, která proběhne 7. října v Písku.

 

 Archiv novinek


Elektronika

Superkondenzátory jako zdroj pro pohon modelu - 1. díl

Úvodní obrázek článku V loňském roce jsem na Jablonecké kotvě v diskusi nad asi prvním českým RC modelem poháněným výhradně kondenzátory Ladousovi slíbil, že o tomto tématu něco napíšu i pro MoNaKo. Protože jde o věc poměrně novou a velmi málo známou, budou články rovnou tři, v prvním se podíváme na možnosti a současné aplikace superkondenzátorů, v druhém na praktické problémy při použití v modelech, a v třetím na elektroniku, která s tím souvisí.

Myšlenka použít kondenzátor k uložení elektrické energie pro pohon není nová ani originální, donedávna ale vyráběné kondenzátory neměly dostatečnou kapacitu, aby to dávalo praktický smysl. Možná si ještě pamatujete ze školy, že jednotka 1 farad „ … je pro praxi příliš velká a využívají se zlomky této základní jednotky“. Leckomu ulpěl v paměti i fakt, že kapacitu 1 F má přibližně koule velikosti naší planety. Nepřepočítával jsem to, ale v tomhle tvrzení není nic o napětí, takže to také vůbec nic nevypovídá o množství uložené energie. Je to zkrátka správně „novinářsky“ podaná informace, která nic neříká, ale upoutá pozornost a dobře se pamatuje.

Současný stav technologíí je takový, že kondenzátor na obrázku z úvodu tohoto článku má při průměru 6 cm a délce 14 cm kapacitu 3400 F. Není to přitom něco nedostupného vzniklého v laboratořích, ale sériový výrobek. Můžete si ho objednat.

Superkondenzátor (také supercapacitor nebo ultracapacitor) je obecně kondenzátor s velkou kapacitou. Jak velkou, na to se názory zatím neustálily. Někdo klade mez na hodnotu 1 F, někdo až na 1000 F. Tak či tak mezi klasickými elektrolytickými kondenzátory, které se běžně prodávají asi tak do kapacity 10 mF, a nejmenšími superkondenzátory (uvažujeme nižší mez 1 F) leží přes dva řády široké „pásmo nikoho“, v němž najdeme jen minimum výrobků.

Princip konstrukce superkondenzátoru je v podstatě stále stejný, hliníkové foliové elektrody, mezi nimi dielektrikum. Navíc přibyla na povrchu elektrod tenoučká vrstvička materiálu (uhlíku) s obrovským povrchem, na nějž se náboj váže. Za velkou kapacitu platí ale superkondenzátory daň, je to velmi malé maximální napětí, typicky 2,5 až 2,8 V.

Na jedné straně širokého spektra výrobků jsou „zálohovací“ kondenzátory pro paměti, které mají malé rozměry, velkou kapacitu, ale velký vnitřní odpor, takže mohou přijmout nebo vydat jen velmi malý proud řádu desítek až stovek mA. Na druhé straně spektra je současná špička od americké firmy Maxwell Technologies (úvodní fotografie). Tento kondenzátor má maximální provozní napětí 2,85 V, vnitřní odpor je typicky 0,22 m? (10x méně než u kvalitních Li-pol akumulátorů) a může být nabíjen nebo vybíjen proudem 2500 A špičkově, nepřetržitě 130 A. Nás pochopitelně budou zajímat kondenzátory asi tak od středu rozpětí směrem k vyššímu proudu.

V rozsahu teplot od -40 do +65 °C se vlastnosti superkondenzátorů moc nemění, takže zejména při nízkých teplotách nechávají daleko za sebou olověné (samozřejmě i Li-pol) akumulátory. Typická životnost je 10 let respektive 1 milion cyklů za poměrně tvrdých podmínek funkce, při občasném zatížení za pokojové teploty se odhaduje na 50 let. Životnost neznamená, že pak kondenzátor nefunguje, ale jen to, že jeho kapacita poklesne o 20 % nebo vzroste jeho vnitřní odpor.

Obrázek v článku Obrázek v článku Obrázek v článku
Vlevo: Typický zálohovací kondenzátor pro paměti 1 F / 5 V (průměr kolem 20 mm)
Uprostřed: Moderní kondenzátory 350 F / 2,7 V pro audiosystémy v autě (velikost D - velký monočlánek)
Vpravo: Startovací blok pro nákladní auta (uvnitř je 12 kondenzátorů z úvodní fotografie)

Nevýhodou kondenzátorů je to, že na rozdíl od akumulátorů, které drží po většinu kapacity jen málo proměnlivé napětí, je u kondenzátorů jasně svázáno napětí a uložená energie. Při nabíjení i vybíjení se napětí na nich mění od nuly do maxima. Na to můžeme reagovat dvěma způsoby, buď bez přídavné elektroniky využívat superkondenzátory jen v malém rozsahu napětí a zužitkovat jen zlomek uložené energie, nebo jak pro nabíjení tak vybíjení použít spínané elektronické měniče, které zpřístupní většinu uložené energie, ovšem za cenu určitých ztrát při převodu. První způsob je jednoduchý, ale nehospodárný, druhý náročnější a dražší, ale dává překvapivé výsledky.

Výhody kondenzátorů proti akumulátorům (Li-pol):

  • schopnost rychle se nabít velkým proudem (za jednotky sekund proti desítkám minut)
  • schopnost rychle se vybít velkým proudem (za jednotky sekund proti minutám)
  • životnost v milionech úplných cyklů a desítkách roků (100 - 1000x více cyklů než Li-pol)
  • okamžitý přechod z nabíjení do vybíjení a opačně
  • bezkonkurenční poměr výkon/objem i výkon/hmotnost, bohužel ale množství uložené energie není velké (dodají/pohltí obrovský výkon po krátkou dobu)
  • při přepočtu podle výměny energie v průběhu životnosti velmi nízká cena
  • žádné toxické materiály nebo jen stopové minimum, dostupné suroviny (hlavně hliník, uhlík)

Nevýhody kondenzátorů proti akumulátorům (Li-pol):

  • při dané hmotnosti nebo objemu zatím menší množství uložené energie (typicky 10x, nejnovější vyvinuté dosud nevyráběné typy 2x)
  • větší ztráty energie v čase (kondenzátor drží napětí hodiny až dny, akumulátor měsíce)
  • velká proměnlivost napětí při nabíjení a vybíjení, složitější elektronika
  • vyšší pořizovací (jednorázové) náklady (do značné míry otázka hromadnosti výroby a licencí)

I přes občas publikované články s bombastickým názvem („Nabijte váš mobil za sekundu!“) nejsou v současné době superkondenzátory univerzální náhradou akumulátorů a hned tak nebudou. Mohou je výborně doplnit, v některých speciálních případech i nahradit a předčít. Pokud alespoň jeden z prvních pěti bodů výhod kondenzátorů je pro vaši aplikaci zásadně důležitý, má smysl o nich začít uvažovat.

Kde se v současné době můžeme se superkondenzátory setkat? Na mnoha místech, ale většinou nejsou nápadně na očích. Třeba elektrický systém KERS závodních vozů F1 je založen právě na superkondenzátorech. V akceleraci dodává po dobu asi 8 s asi 60 kW, což je přibližně 10 % plného výkonu základního spalovacího pohonu. Těch 10 % rozhoduje při výjezdu ze zatáčky i předjíždění. Nicméně omezení výkonu i doby použití, a také to, že se KERS smí aktivovat jen jednou za jedno kolo, to nejsou technické meze, jen administrativní rozhodnutí při tvorbě pravidel. Reálné možnosti jsou jinde, více než 50 % výkonu a využití při každém brzdění do zatáčky (nabíjení) a zrychlení za ní (vybíjení).

Svou obdobu má systém KERS dokonce už v RC modelech aut. Za jízdy se po dobu asi 20 sekund nabíjí souběžně s chodem motoru proudem 3,5 A superkondenzátory s kapacitou 30 F, aby pak na povel rádiem zvýšily napájecí napětí pro motor a vydaly svou energii během 2 s.
http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__52026__Turnigy_ENOS_In_line_Electronic_Booster.html

Superkondenzátory se v současné době montují do některých hybridních osobních vozů jak kvůli zvýšení krátkodobého výkonu, tak pro snížení spotřeby, protože jako jediné umí účinně uložit energii odebranou vozu při krátkém brzdění. Podobnou aplikací je instalace 200 bloků 48V superkondenzátorů ve stanicích metra jihokorejského Soulu. Při rekuperaci mají tyto kondenzátory už za sebou přes milion cyklů ve spolehlivém provozu a výsledkem je 20% úspora elektrické energie.

Schopnost superkondenzátorů pracovat i za nízkých teplot pod -40 °C, kdy už akumulátory „melou z posledního“, se využívá ke startování aut. Firma Maxwell vyrábí startovací zdroje pro nákladní auta (obrovské americké trucky) v arktických podmínkách v podobě bloků připomínajících akumulátory. Kapacitní jednotky se jen výjimečně používají místo akumulátorů jako jediný zdroj (úložiště) elektrické energie, častěji se přidávají k nim a zapojují pro účely spouštění motoru. První nabití (z nuly) trvá přes 30 minut, z provozně vybitého stavu (napětí 10 V) se nabíjí proudem 25 A z akumulátoru nebo alternátoru na napětí až 16 V nejvýše 15 minut. Během spouštění motoru dodává blok superkondenzátorů stabilně proud až 1800 A 

Náhradu autoakumulátoru kondenzátorem lze uskutečnit i v osobním autě, jen je to dražší, než standardní olověný akumulátor. Mnoho videí s touto tématikou je na YouTube, větší část pochází od autorů z amerického severu, ale také z Ruska (proč asi, že ...). Použít se na to dá s velkou rezervou třeba sada pro amatérskou konstrukci kapacitního bloku, která je na fotografii. Jednotlivé kondenzátory mají 3300 nebo 3400 F, to funguje i v arktických podmínkách a mnohem lépe, než olověný akumulátor. Mám ale vlastní zkušenost, že benzínový čtyřválec „dvoulitr“ se spolehlivě nastartuje i na desetkrát menší kapacitu kondenzátorů 350 F / 2,7 V zcela bez podpory akumulátoru.

Obrázek v článku Obrázek v článku Obrázek v článku
Vlevo: Akcelerace pomocí superkondenzátorů pro RC auta, vyrábí Turnigy.
Uprostřed: Sada pro amatérské sestavení napájecího bloku 500 F / 16 V včetně elektroniky
Vpravo: Dvoulitrový benzínový motor se dá spolehlivě nastartovat i na toto.

Ani použití superkondenzátorů jako jediného zdroje pohonné energie (nejen ke startování spalovacího motoru) u vozidel není vyloučené, studie se zpracovávají i u nás, jinde jsou o něco dál. V Šanghaji jezdí od roku 2006 autobus Ultracap Bus firmy Sinautec. Jeho kondenzátory uloží 5,9 kWh energie a dovolí mu nezávislý dojezd 6 km s klimatizací nebo 10 km bez klimatizace. Zoufale málo proti standardu elektromobilů s akumulátory, ale ono to pro tento účel stačí! Superkondenzátory se dobíjejí po dobu 30 s v zastávkách a 5 minut na konečných stanicích pomocí střešního sběrače (jako trolejbus) z krátké troleje, nabíjecí stanice poskytují 600 V / 200 A. Typická aplikace využívající výhodně kondenzátory, často a rychle se nabíjí, často a rychle se vybíjí, životnost je stejná nebo větší než životnost celého elektroautobusu (pravidelná výměna se neřeší).

Podobně mohou superkondenzátory dodat energii třeba pro nouzový dojezd tramvají v délce desítek až stovek metrů nebo překlenutí úseků, v nichž z nějakého důvodu není možné mít trolej. Dnešní tramvaje mohou totéž na energii z akumulátoru, ale je tu velký rozdíl. Akumulátor musí být dimenzovaný na odběr pohonu, je velký, těžký, s menší životností, obsahuje žíraviny, pohonné použití mu silně zkracuje životnost. Největší význam mají superkondenzátory se spolupráci s jinými zdroji energie, protože mohou překlenout krátké špičky velkého odběru a konvenční zdroj může být podstatně menší a úspornější. To dává možnost konstruktérům výrazně změnit pohled na zažité dimenzování jednotlivých konstrukčních bloků.

Superkondenzátory najdeme i v mnoha aplikacích, kde nejsou pravidelně v činnosti, jen třeba i roky čekají bez údržby neustále připravené na svou chvíli. Jsou to záložní zdroje osvětlení, moderní záložní zdroje pro počítače, ale prý také dveře v dopravních letadlech, kde zabudované kondenzátory v případě nouze zajistí elektrické otevření, i když už nic včetně napájení palubního rozvodu letadla nefunguje nebo je stroj částečně v troskách.

Pokračování příště...

Fotogalerie
Fotogalerie

Foto: Ing. Michal Černý a weby výrobců © 2015

Pro MoNaKo Ing. Michal Černý Na začátek článku

Autor: Ing. Michal Černý | Vydáno dne 17. 02. 2015 | 5991 přečtení
Počet komentářů: 0 | Přidat komentář
Informační e-mailVytisknout článek
Pridat.eu



Elektronika -> Superkondenzátory jako zdroj pro pohon modelu - 1. díl
Old MoNaKo - články z roku 2006 a starší
Pozvánky
Nejnovější akce

Termíny dalších akcí najdete v Kalendáři akcí.

Reklama
Nejkomentovanější
Pár rad stavitelům parních lodí
08. 10. 2017
Počet komentářů: 25

Stavba papíráku Monako technologií 3D tisku
15. 05. 2018
Počet komentářů: 6

Pár rad stavitelům parních lodí: Kotlíky
12. 11. 2017
Počet komentářů: 6

Japonský křižník IJN Mogami
23. 01. 2018
Počet komentářů: 5

Bitevní loď Musaši po 13 letech
01. 04. 2018
Počet komentářů: 3

Mistrovství ČR Footy a regata O Znojemskou okurku 2018
03. 07. 2018
Počet komentářů: 2

Nejčtenější za rok