VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование зависимости напряжения от времени во время процессов заряда и саморазряда самодельного ионистора
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
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]. Современные ионисторы обладают уникальными характеристиками: плотностью электрической емкости до 260 Ф/г, временем заряда и разряда от тысячных долей секунды, высокой мощностью разряда, малым током утечки и возможностью хранения заряда в течение сотен часов [2].
Объединённый институт высоких температур РАН за последние десять лет разработал ряд практических энергосберегающих сценариев применения ионисторов. Ионисторы оказалось возможно использовать для возврата (рекуперации) кинетической энергии торможения массивных поездов. При этом удается вернуть до 25% энергии, потребляемой электроподвижным составом на железных дорогах и до 35% на метрополитене.
В системах пуска автомобильной техники комбинированное использование ионисторов вместе с аккумуляторными батареями (АКБ) гарантирует запуск двигателя в экстремальных температурных условиях от ‑ 45ºС и до 60ºС, уменьшение необходимой мощности в 2 - 2,5 раза, увеличение срока службы АКБ в 2 раза, возможность запуска двигателя при разряженной на 70% АКБ. Ионисторы используются в экспериментальных комбинированных энергоустановках как источники пиковой мощности. Например, их использование в гибридном транспорте дает двукратную экономию ресурсов и десятикратное повышение уровня экологичности.[2]
Ионисторы позволяют оптимизировать использование источников возобновляемой энергии путем накопления и перераспределения ее излишков [3].
Однако, все описанные способы применения ионистора находятся в стадии экспериментальной разработки, поэтому актуальность нашего исследования заключается, прежде всего, в перспективности применении ионисторов.
В ходе изучения литературы мы познакомились с характеристиками заряда и разряда ионисторов фирмы Панасоник. Ими оказались заряд/разрядные кривые зависимости напряжения от времени. Но для самодельных ионисторов аналогичных характеристик мы не нашли, что явилось проблемой исследования.
Целью работы стало изучение принципа работы электростатических двухслойных ионисторов, а также экспериментальное получение и анализ графиков зависимости напряжения от времени в процессах заряда/саморазряда самодельных ионисторов
Цель мы достигали, решая следующие задачи: изучение литературы по теории принципа работы и конструирования ионисторов; изготовление ионисторов; разработка методики получения заряд-разрядных кривых; определение по экспериментально полученным кривым времени заряда, напряжения заряда, остаточного напряжения и скорости саморазряда
1. Ионисторы и принципы их работы
Ионисторы, иначе молекулярные накопители энергии, иначе суперконденсаторы - это накопители энергии, которые преобразуют электрическую энергию в химическую. Они отличаются от обычных конденсаторов тем, что для пространственного разделения разноименных зарядов, создающих рабочее электрическое поле, используются не макроскопический диэлектрический слой между проводящими обкладками, а микроскопический поляризованный слой на границе поверхности раздела двух сред. [5]
Такой слой ионов называют двойным электрическим слоем (ДЭС). ДЭС образуется на границе раздела поверхности частиц твердого тела и электролита в результате адсорбции ионов из раствора. В ДЭС входят ионы двух типов: потенциалопределяющие и индифферентные. Потенциалопределяющие ионы, входящие в слой Штерна во внутреннюю плоскость Гельмгольца (см. Приложение рис. 3), за счет эффекта адсорбции (достраивания кристаллической решетки) «прилипают» к поверхности электродов тонким слоем так, что они надежно там зафиксированы и во время процессов разряда практически не могут отсоединиться. А индифферентные ионы расположены за энергетическим барьером в виде внешней плоскости Гельмгольца и могут передвигаться в самом электролите.[6]
Ионистор - электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. По характеристикам занимает промежуточное положение между конденсатором и химическим источником тока. [7] Современные ионисторы имеют ультратонкий ДЭС (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]
Часто под ионисторами понимают:
Собственно ионисторы - работающие на принципе возникновения двойного электрического слоя у каждого из двух электродов.
Псевдо ионисторы - электрохимические ионисторы, работающие на электронном переносе заряда.
Гибридные ионисторы – ионисторы, в которых один электрод имеет двойной электрический слой, а другой псевдо емкость за счет электронного переноса заряда.
Собственно ионистор - это двухслойный электростатический конденсатор, далее electric double-layer capacitorEDLC, у которого в качестве электродов чаще всего используется порошкообразный активированный уголь, а электролитами могут выступать водные, органические электролиты или специальные ионные жидкости. [4]
В процессе зарядки ионистора (см. Приложение рис. 1) в одной его половине на порах угля появляется двойной электрический слой 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]
2. Описание собственных исследований
2.1. Разработка метода измерения и анализа данных
Для создания необходимого цифрового измерителя напряжения было составлено техническое задание (ТЗ):
Спроектировать схему устройства для создания цифрового вольтметра с диапазоном работы от 0В до 5В, с частотой измерений не менее 2000 раз в секунду и с возможностью передачи данных в режиме реального времени по VirtualCOMPort, написать код прошивки в среде ArduinoIDE для языка программирования C (Си)
Написать программу для Python 3, которая обрабатывает полученные с цифрового вольтметра данные и на их основе строит график зависимости напряжения от времени в MatPlotLyb
Протестировать измерительное устройство в процессах заряда и разряда конденсатора известной емкости, проанализировать результаты с помощью OriginLabOriginPro
Основой цифрового устройства – измерителя напряжения - стала плата ArduinoUno на основе микроконтроллера (МК) AtMega 328. Внутренняя периферия МК AtMega 328, а именно встроенные АЦП и UART, используются для измерения напряжения и передачи измеренных данных соответственно. Диапазон измерения напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) от 0 В до 5 В. Так как разрядность АЦП 10 бит и максимальное измеряемое напряжение 5 В, то шаг измерения АЦП 5 / 1024 = 0.00488, следовательно, его погрешность 0.00488 / 2 = ± 0.0024 В. Код написан в среде ArduinoIDE на языке программирования C(Си). МК с данным алгоритмом работы удовлетворяет критериям: интервал измерений 400 мкс; реальное время каждого измерения точно фиксируется; поддерживается возможность передачи данных в режиме реального времени. Тестирование работы устройства проводили, поучая кривые заряда-разряда для цепочки конденсатор-резистор с известными характеристиками, аппроксимацию (подбор функции) вырезанных данных в процессе разряда проводили в программе OriginLabOriginPro. Теоретическое значение постоянной времени и определенной по графику отличались не более чем на 2%.
2.2 Создание ионисторов и получение графиков зависимостей напряжения от времени в процессах заряда/саморазряда (заряд-разрядных кривых)
Самодельный ионистор изготовили как электростатический двухслойный низковольтный конденсатор, состоящий из электродов с большой площадью, ионосодержащего электролита и ионопроницаемой мембраны. В качестве электродов для EDLC использовали порошок активированного угля, в качестве электролита - водного раствора серной кислоты (автомобильный электролит), в качестве ионопроницаемого сепаратора - офсетную бумагу.
Изготовление самодельного ионистора: 1) из активированного угля получаем порошок; 2) смешиваем порошок с электролитом; 3) наносим на прямоугольник из металлической фольги (токовый колектор для угольного электрода) слой полученной смеси; 4) на слой смеси кладем сепаратор из бумаги; 5) на бумагу наносим еще один слой смеси; 6) поверх смеси кладем второй прямоугольник из фольги
Объекты исследования: четыре самодельных электростатических ионистора, размерами 100 x70 мм каждый.
Предмет исследования: графики зависимостей напряжения от времени в процессах заряда и саморазряда самодельных ионисторов.
Напряжение от источника подавали на два прямоугольника 100 мм на 70 мм, вырезанных из тонкой металлической алюминиевой фольги толщиной 11 мкм, между которыми помещался ионистор (к прямоугольникам из фольги были припаяны провода для снятия показаний напряжения). Металлические пластинки плотно прижимались для обеспечения лучшего контакта с электродами EDLC (что позволило равномерно заряжать ионистор и измерять напряжение со всей площади ионистора, а не с конкретного участка). Напряжение на EDLC подавали с лабораторного источника постоянного напряжения выпрямителя SAGATechnologiesS7-1203 в диапазоне от 2 В до 4 В. Фото установки в Приложении, рис 4. Измеритель напряжения подключали, соблюдая полярность, к металлическим прямоугольным контактам. Начинали измерения, замыкали ключ, выжидали некоторое время, размыкали ключ, выжидали около минуты, прекращали измерения. Полученные графики представлены в Приложении (рис.6, 8-13)
По каждой кривой заряда-саморазряда ионистора можно определить время процесса заряда, напряжение, до которого заряжается ионистор, время подключения ионистора к источнику, а также оценить скорость и время саморазряда.
При нашем методе измерения кривая представляет собой: прямую линию при заряде и две плавно переходящие одна в другую линии при саморазряде (вертикальная одна и наклонная с отрицательным коэффициентом пропорциональности другая). Такой характер кривых соответствует показанному в литературе графику зависимости напряжения от времени при заряде и саморазряде ионистора (см. Приложение рис.14) [4]
На каждой кривой наблюдаем:
Независимо от факторов эксперимента, а также самого прототипа, максимальное напряжение во время заряда равняется напряжению источника питания и сохраняется постоянным во все время подключения ионистора к источнику напряжения
Лавинообразный спад напряжения до некоторого значения, сразу после отключения прототипа от питающего его источника.
Плавное понижение напряжения после спада и длительное сохранение ионистором стабильного напряжения после его отключения от источника питания. Рассмотрим рис. 6, 11, 12, 13 (см. в Приложении). Независимо от факторов экспериментов (в опытах менялись напряжение источника питания, время заряда, временной интервал между опытами) у каждой кривой имелся участок, на котором в процессе саморазряда напряжение ионистора оставалось практически постоянным.
На наш взгляд, лавинообразный спад и дальнейшее понижение напряжения до стабильного можно обосновать строением ДЭС. Во время заряда ионистора индифферентные ионы за счет увеличения заряда электродов приближаются к ним и располагаются тонким слоем у внешней плоскости Гельмгольца, и за счет них разница потенциалов электродов становится равной разнице потенциалов источника питания. После отключения ионистора от источника питания ионы, которые не может удержать двойной электрический слой, стремительно отдаляются от электродов, одноименные отталкиваясь друг от друга, и разноименные притягиваясь друг к другу. Индифферентные ионы, отдаляясь от электродов, уменьшают их потенциал, что приводит к резкому падению напряжения ионистора.
Величина стабильного остаточного напряжения саморазряда зависит от времени заряда ионистора. Для кривых заряда-разряда одного и того же ионистора при неизменном напряжении (см. рис. 8,9,10 в Приложении), уменьшение времени заряда приводит к уменьшению остаточного напряжения, которое определеяется по эквивалентны точкам на кривых саморазряда ионистора UА (методика считывания показана на рис. 14). [4]
Величина стабильного остаточного напряжения саморазряда зависит от напряжения источника питания, заряжающего ионистор. Рассмотрим кривые 11 и 13 (см. в Приложении), при напряжении источника питания 4 В напряжение ионистора при саморазряде в точке начала сохранения стабильного напряжения составляет 1.2 В, а в аналогичной точке при напряжении источника питания 2.1 В напряжение составило 0.5 В. Чем больше напряжение источника, тем больше остаточное напряжение.
Сравним свойства самодельных ионисторов со свойствами ионистора фирмы cda, емкостью 1 Фарад и максимальным рабочим напряжением 5.5 В. Для данного ионистора получим заряд-разрядную кривую при напряжении 2.2 В (см. в Приложении, рис. 7). Полученный график заводского ионистора однозначно позволяет идентифицировать самодельный объект как двухслойный электростатический конденсатор – ионистор, так как основные участки графиков по внешнему виду идентичны (см. в Приложении, рис.6, 8-13). В отличие от самодельного образца, заводской ионистор имеет меньший лавинообразный спад напряжения. Падение напряжения составило с зарядного 2.2 В до 1,9 В. В лучшем самодельном образце падение напряжения в аналогичных условиях составило от 2.2 В до 0.6 В. Такое отличие можно объяснить более технологичным и качественным производством, а также конструкцией заводского ионистора, состоящего из двух последовательно подключенных ионисторов.
Рассчитаем среднюю скорость саморазряда, и с ее помощью оценим время разрядки ионистора. Для этого найдем координаты точек А и В для каждого из графиков (пользуясь методикой, описанной в источнике [4]) (см. Приложение рис.14). Найдем vсаморазряда = (UA - UB) / (tb– ta); Uсред = (UA+UB) / 2 и оценим время саморазряда Tсаморазряда = UA / vсаморазряда. В качестве абсолютной погрешности измерения напряжения использовали шаг АЦП равный 5 В / 1024 = 0.005 В, погрешностью измерения времени в данном случае можно пренебречь, так как она составляет менее процента.
Для заводского ионистора, заряженного до напряжения 2,2 В (Приложение, рис. 7): Uсред =1.877 В; vсаморазряда= 1.61±0.02мВ/с; Tсаморазряда = 1169 с.
Для самодельного ионистора, заряженного до напряжения 2,2 В (Приложение, рис. 11): Uсред =0.500В; vсаморазряда= 0.643±0.006мВ/с;Tсаморазряда = 831 с.
Для самодельного ионистора, заряженного до 4 В (Приложение, рис. 13): Uсред =1.100В; vсаморазряда= 1.59±0.02мВ/с; Tсаморазряда = 778 с.
Чем выше напряжение заряда, тем выше не только среднее остаточное напряжение, но и скорость саморазряда. Время саморазряда заводского ионистора больше, чем самодельного.
Скорость саморазряда ионистора медленно снижается, она не является постоянной и снижается до определенного минимума. На наш взгляд, это можно обосновать поведением потенциалопределяющих ионов ДЭС. Во время разряда эти ионы никаким образом не могут освободиться от угольного электрода и тем самым определяют наличие остаточного напряжения, то есть заряда. Исходя из этого, мы можем сравнивать какие-либо характеристики ионистора, пользуясь методикой, описанной в [4], только на строго определенном промежутке времени, в котором значения скорости разаряда в конечных точках совпадают, этот промежуток примерно лежит в диапазоне, ограниченном одинаковыми границами времени, которые отсчитываются от момента начала разряда ионистора. Важно: данный метод работает только при исследовании одного и того же прототипа ионистора в различных условиях.
Снижение скорости саморазряда подтверждает факт сохранения минимального остаточного заряда на ионисторе в начале каждого цикла зарядки кроме первого. На рис. 8, то есть графике первого цикла, предзарядное напряжение равняется 0 В, а на всех дальнейших циклах (рис. 9, 10, 11) начальное напряжение лежит в диапазоне от 0.20 В до 0.25 В, учитывая тот факт, что эксперименты были однофакторные, изменялся только временной интервал между измерениями, который мог равняться нескольким дням, и то, что к ионисторам в течении этого времени была подключена нагрузка в виде резистора, которая должна была способствовать их полному разряду, можно подтвердить наличие остаточного напряжения ионистора.
При зарядке ионистора через резистор меняется характер кривой заряда. Рассмотрим две кривых на рис. 12, 13 (см. в Приложении). Процесс заряда на рис. 13 (при прямом подключении ионистора к источнику питания) происходит быстрый заряд, при котором фиксируются в большей степени только точки начального и конечного напряжения. А в процессе заряда на рис. 12 (при подключении ионистора к блоку питания через резистор, то есть понизив зарядный ток) график заряда имеет явную форму, отличную от прямой.
Заключение:
Новизна работы заключается в получении заряд-разрядных кривых (графических зависимостей напряжения от времени в процессах заряда и саморазряда) самодельных электростатических двухслойных низковольтных ионисторов с помощью цифрового вольтметра собственной прошивки и определении по заряд-разрядным кривым остаточного напряжения и скорости саморазряда.
Убедились, что ионисторы представляют собой гибрид конденсатора и источника тока, заряд-разрядные кривые которых имеют участки: а) быстрого заряда; б) участок сохранения постоянного напряжения во все время подключения к источнику напряжения; в) лавинообразный спад напряжения до некоторого значения сразу после отключения от питающего его источника; г) плавное понижение напряжения до стабильного уровня и незначительное линейное падение остаточного напряжения. Все зависимости можно объяснить поведением потенциалопределяющих и индифферентных ионов ДЭС.
Установили, что данные ионисторы сохраняют стабильное напряжение на уровне примерно 1/3-1/4 от зарядного после его отключения от источника питания в течение нескольких минут; сохраняется минимальный остаточный заряд на ионисторе в начале каждого цикла зарядки кроме первого; существует прямая зависимость остаточного напряжения саморазряда от напряжения заряда.
Практическая значимость исследования заключается в:
Создании самодельных электростатических ионисторов на основе водного электролита, которые могут выступать в роли источников энергии
Разработке технологии создания цифрового вольтметра с диапазоном работы от 0 В до 5 В, с частотой измерений 2500 раз в секунду и с возможностью передачи данных в режиме реального времени на ПК.
Разработке программы на Python 3 для приема, обработки и научного анализа изменения значений измеряемой величины с течением времени, полученных с любого измерительного устройства, поддерживающего передачу данных через VirtualCOMPort.
Список литературы и интернет-ресурсов:
Ионистор – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионистор (Дата и время обращения 18.05.2018 16:41)
Деньщиков К. Суперконденсатор: принцип построения, техника и применения — Режим доступа: https://pandia.ru/text/78/057/96067.php (Дата и время обращения 02.03.2018 15:44)
Применение суперконденсаторов EDLC в возобновляемой энергетике. Мировая практика — Режим доступа: https://econet.ru/articles/150609-primenenie-superkondensatorov-edlc-v-vozobnovlyaemoy-energetike-mirovaya-praktika
Supercapacitor - Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor (Дата и время обращения 24.01.2018 17:10)
Электрические накопители энергии. Лекция 4 — Режим доступа: http://eef.misis.ru/sites/default/files/lectures/1-3-4.pdf
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 17.05.2018 17:58)
Самодельный ионистор – Режим доступа: http://www.texnic.ru/books/electrotex/el024.htm (Дата и время обращения 18.05.2018 17:32)
Суперконденсаторы для электроники — Режим доступа: http://www.mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=397
Кузнецов М.И. Основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1970. - 368с.
Приложение
Рис. 1. Схема работы ионистора.
Рис 2. Схема строения ионистора
Рис. 3. Изображение двойного электрического слоя
Рис. 4. Экспериментальная установка
Рис. 5. Аппроксимация экспонентой тестового графика разряда конденсатора в программе OriginLabOriginPro
Рис. 6. Экспериментально полученный график заряда и саморазряда самодельного ионистора
Рис. 7. График заряда и саморазряда заводского ионистора емкостью 1 Фарад и максимальным напряжением 5.5 Вольт
Рис. 8. Прототип ионистора №4, первый его цикл заряда/саморазряда
Рис. 9. Прототип ионистора №4, второй его цикл заряда/саморазряда
Рис. 10. Прототип ионистора №4, третий его цикл заряда/саморазряда
Рис. 11. Прототип ионистора №4, цикл заряда до напряжения 2,2 В и длительного саморазряда
Рис. 12. Прототип ионистора №4, процесс заряда через резистор до напряжения 4 В
Рис. 13. Прототип ионистора №4, цикл заряда до напряжения 4 В и длительного разряда
Рис. 14. Определение точек А (начало линейного наклонного участка) и В (произвольно) для оценки скорости падения напряжения