3.3.3. Накопители электроэнергии. Ионисторы Общие сведения о накопителях электрической энергии

Электроэнергетика включает в себя генерацию энергии, передачу ее потребителям, а также аккумулирование и хранение. Ее отличительной особенностью является неритмичность генерации и потребления энергии, что делает актуальной задачу хранения электроэнергии в условиях снижения потребления (например, в ночное время суток) или при резком снижении вырабатываемой мощности (например, при использовании солнечной энергии или энергии ветра). Кроме этого, автономные источники питания, аккумулирующие достаточно большой запас энергии, необходимы в транспортных средствах, включая воздушные и морские суда, тепловозы, автомобили и автобусы. Автономные источники питания требуются также портативным приборам и электроинструментам.

Наиболее распространенными средствами накопления и хранения электроэнергии являются перезаряжаемые батареи (аккумуляторы) и конденсаторы большой емкости (суперконденсаторы). Все средства для хранения электроэнергии характеризуются следующими параметрами:

– плотностью энергии (энергия на единицу объема или массы);

– плотностью мощности, определяющей время разрядки/перезарядки;

– временем жизни, определяющем количество циклов разрядки/перезарядки;

– чувствительностью к внешней температуре.

Аккумуляторные батареи накапливают энергию, используя химические реакции между реактивами, входящих в состав их электролита. Благодаря этому они обычно имеют более высокую энергетическую емкость, чем конденсаторы. Но конденсаторы накапливают энергию просто в виде электрического заряда, не подвергая изменениям свою внутреннюю структуру. Именно поэтому они могут без потери емкости вынести миллионы циклов зарядки/разрядки, тогда как аккумуляторные батареи выдерживают от тысячи до нескольких тысяч таких циклов. Аккумуляторы имеют низкую плотность мощности (зарядка занимает довольно много времени), к тому же их параметры очень чувствительны к внешней температуре. Время зарядки суперконденсатора составляет всего несколько минут, тогда как литий-ионные аккумуляторы заряжаются более часа. У обычных конденсаторов заметно больше плотность мощности, но меньше плотность энергии. Они малочувствительны к внешней температуре и у них большое время жизни.

Аккумуляторные батареи известны довольно давно. Их активное использование было обусловлено бурным развитием автомобильной промышленности, а также необходимостью создания портативных источниках питания для различных мобильных радиосистем. Интерес к конденсаторам как средствам накопления и хранения электроэнергии возник относительно недавно – после создания суперконденсаторов (другое название – ионисторы).

Конденсаторы можно разделить на три основных типа: обычные электростатические конденсаторы, электролитические конденсаторы и ионисторы (рис. 3.113). В обычных конденсаторах пространство между электродами (обкладками конденсатора) заполнено диэлектриком. Напряженность поля E между обкладками при наличии напряжения V между ними постоянна. В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используют тонкую оксидную пленку, нанесенную на поверхность одного из металлического электродов (анода). За счет чрезвычайно малой толщины диэлектрика, емкость конденсатора достигает значительных величин. Поскольку поверхность оксидной пленки не является идеально гладкой и имеет неровности, то в качестве второго электрода (катода) выступает не плоский металлический электрод, а электролит. Ионисторы за счет пористого электрода обладают емкостью, существенно превышающей емкость электролитических конденсаторов.

а) б) в)

Рис. 3.113. Различные типы конденсаторов: а) электростатический; б) электролитический;

в) ионистор