ITC / Pracownicy / Naukowo - dydaktyczni / Mężyk Łukasz / Grant Dziekański 2014

Badanie własności superkondensatorów w zmiennych warunkach środowiskowych.

Badania dotyczące działania superkondensatorów w różnych warunkach otoczenia prowadzone w ramach grantu Dziekańskiego 2014 r.

Wstęp

Zagadnienie gromadzenia i przechowywania energii ma ogromne znaczenie w wielu dziedzinach techniki. Głównymi parametrami które mają fundamentalne znaczenie w tym zagadnieniu są gęstość energii i gęstość mocy. Gęstość energii mówi o tym jak duża ilość energii może być zgromadzona w danej jednostce masy. Ma związek z czasem działania urządzenia które pobiera określoną ilość energii ze źródła zasilania – im wyższa gęstość energii tym urządzenie może działać dłużej. Drugi parametr – gęstość mocy ma związek z szybkością transferu energii. Wyższa wartość gęstości mocy daje możliwość szybszego ładowania źródła oraz dynamicznego dostarczenia energii do odbiornika. Idealne źródło zasilania powinno więc mieć jak najwyższe oba parametry. W rzeczywistości taka sytuacja jest obecnie nieosiągalna. Klasyczne baterie charakteryzują się wysoką gęstością energii ale niską gęstością mocy. Wysoka gęstość mocy to cecha charakterystyczna kondensatorów ale one z kolei mają niską gęstość energii. Obecnie, za kompromis mogą zostać uznane urządzenia nazwane superkondensatorami lub ultrakondensatorami. Łączą one wysoką gęstość mocy charakterystyczną dla kondensatorów z wysoką (choć wciąż niższą od klasycznych baterii) gęstością energii.

Wiele innych zalet np. trwałość nawet do miliona cykli, szybkie ładowanie i rozładowanie, małe rozmiary i objętość w stosunku do gromadzonej energii itd. powoduje rosnące zainteresowanie technologią superkondensatorów.

W pracy tej postanowiono eksperymentalnie sprawdzić wpływ warunków otoczenia na pracę superkondensatorów.

Budowa stanowiska testowego

                Stanowisko testowe do badania superkondensatorów w różnych warunkach środowiskowych musi spełniać kilka głównych wymagań. Przede wszystkim musi umożliwiać badanie kilku kondensatorów w tym samym czasie, zapewniać możliwość zmian warunków otoczenia oraz umożliwiać rejestrację danych pomiarowych. Ze względu na zmiany w otoczeniu obiekt badań musi znajdować się w ograniczonej przestrzeni na której parametry można wpływać w łatwy sposób. Postanowiono użyć do tego celu komory szklanej, dzięki czemu możliwa jest wizualna kontrola oraz rejestracja obrazów podczas trwania eksperymentów. Ze względu na ograniczone środki finansowe wykorzystano dostępną w Instytucie Techniki Cieplnej komorę. Jej objętość pozwoliła na umieszczenie w środku 18 superkondensatorów oraz układu kontroli temperatury, podłączeń elektrycznych i termopar. Stanowisko składa się z kilku systemów których zależność pokazuje schemat systemowy na Rysunku 1.

schemat_systemowy

Rysunek 1. Schemat systemowy stanowiska do badania superkondensatorów.

Ogólny schemat stanowiska oraz schemat połączenia kondensatorów przedstawiono na poniższych ilustracjach.

Rysunek 2. Schemat stanowiska pomiarowego.

schemat połączenia

Rysunek 3. Schemat połączenia kondensatorów do układu ładowania/rozładowania.

Podczas badań w pierwszej kolejności regulowana będzie temperatura pracy. Dzięki ultratermostatowi utrzymującemu dokładnie temperaturę czynnika przepływającego przez chłodnicę, powietrze w komorze zostanie wychłodzone do zakładanej temperatury. Jednorodny rozkład temperatury będzie zapewniany dzięki użyciu mieszadła. Jako punkt pomiaru temperatury wybrano jedno z przyłączy elektrycznych środkowych kondensatorów na obu piętrach układu. Gdy obie temperatury będą zbieżne z założoną temperaturą otoczenia, jeżeli badania będą tego wymagały obniżone zostanie ciśnienie wewnątrz komory i rozpocznie się cykl pomiarowy. Układ ładowania rozpocznie ładowanie kondensatorów. Po osiągnięciu stanu naładowania kondensatory zaczną się rozładowywać przy pomocy układu rozładowania opartego na rezystorach mocy. Podczas rozładowania rejestrowane będzie napięcie na zaciskach kondensatora (V2) oraz spadek napięcia na rezystorze (V1). Przebiegi temperatur, napięć oraz ciśnienia w komorzę będą rejestrowane przez układ pomiarowy PXI-e 8108. 

Model komory pomiarowej przedstawiono poniżej.

schmat komory

Rysunek 4. Model komory pomiarowej do badania superkondensatorów: 1-superkondensator; 2-chłodnica; 3-uszczelka płaska; 4-podstawa stanowiska; 5-przyłącza (elektryczne, pompy); 6-wentylator (mieszadło); 7-szklana komora.

 

zdjecie_komory

Rysunek 5. Widok zbudowanego stanowiska z zamontowanymi kondensatorami – bez przykrycia.

Kolejnym etapem prac w ramach budowy stanowiska był projekt i wykonanie układu ładowania i rozładowania kondensatorów. W tym celu zaprojektowano i wykonano 18 płytek drukowanych umożliwiających stosowne pomiary oraz sterowanie układem. Do rozładowania kondensatorów użyto 140 watowych rezystorów mocy. Sterowanie odbywało się za pomocą styczników z zasilaniem doprowadzonym z zasilacza laboratoryjnego i sygnałem sterującym pochodzącym z układu akwizycji. Schemat elektryczny układu ładowania/rozładowania oraz jego elementy zaprezentowano na Rysunku 6.

uklad_ladowania

Rysunek 6. Elementy układu ładowania/rozładowania: a) schemat płytki b) wizualizacja płytki drukowanej; b) rezystor mocy; c) stycznik.

Układ w stanie spoczynku znajdował się w cyklu rozładowania co gwarantowało samorozładowanie kondensatorów w razie uszkodzenia układu sterowania. Same kondensatory ładowane były zasilacza laboratoryjnego o regulowanym napięciu i prądzie, który był w stanie dostarczyć prąd na poziomie 30 amperów.

Badania superkondensatorów

Badania przeprowadzono w kilku etapach. W pierwszym z nich wykonano serie prób w celu przetestowania stanowiska. Dzięki temu etapowi możliwe było również poznanie skali czasowej procesów ładowania i rozładownia niezbędnej do późniejszej automatyzacji pomiarów. Jako wyniki prób uzyskano wartości napięć oraz wydzielanych mocy w kilku momentach czasowych procesu rozładowywania. Dzięki automatyzacji procesu każdy eksperyment przebiegał w identyczny sposób. Pozwala to na porównanie uzyskanych danych dla różnych warunków otoczenia w konkretnych chwilach czasowych. Niestety zbudowany układ nie pozwalał na tak szybkie przeprowadzanie cykli jak planowano początkowo stąd też ilość przeprowadzonych eksperymentów znacznie ograniczono. Ostatecznie zdecydowano również o ograniczeniu ilości badanych jednocześnie kondensatorów do 12 lub 6.

Etap I: wartości referencyjne

W tym etapie wykonano próby przy naturalnych warunkach otoczenia. Dzięki temu możliwe było uzyskanie charakterystycznych przebiegów ładowania i rozładowania kondensatorów. Ponieważ każdy z nich działa niezależnie, w każdym eksperymencie uzyskiwano 6 pomiarów na zaciskach kondensatora oraz spadku napięcia na rezystorze mocy odpowiadającą. W celu uzyskania miarodajnych wyników próby powtórzono 38 razy. Charakterystyczny przebieg napięcia dla jednego kondensatora z przykładowego eksperymentu zaprezentowano na rysunku.

przyklad

Rysunek 7. Przykładowy przebieg napięcia na zaciskach kondensatora dla wybranego urządzenia.

Jak można zauważyć z rysunku pełny cykl ładowania i rozładowania trwał 1500 s. Ponieważ akwizycja danych pomiarowych była prowadzona z częstotliwością 100 Hz do porównania wzięto wartości średnie napięcia z czasu 0.5 sekundy w kolejnych momentach eksperymentu z interwałem 50 sekund w przypadku okresu ładowania i 20 sekund w przypadku rozładowania. Jako wartość w chwili T0 wzięto moment początku procesu rozładowywania. Porównanie rozrzutu wartości uzyskiwanych podczas rozładowania w tych chwilach dla kolejnych eksperymentów dla losowo wybranego kondensatora pokazuje rysunek

przyklad2

Rysunek 8. Wartości napięcia w kolejnych chwilach procesu rozładowania dla 37 prób losowo wybranego kondensatora.

Z wykresu widać że kolejne wartości dla różnych eksperymentów są ze sobą zgodne a ich rozrzut jest niewielki.

W podobny sposób porównano osiągane dla różnych chwil czasowych wartości dla różnych kondensatorów w tych samych warunkach (ciśnienie otoczenia, temperatura 293 K). Wyniki dla procesu ładowania i rozładowania zaprezentowano na wykresach.

porownanie1

Rysunek 9. Porównanie wartości napięć uzyskanych dla tych samych warunków otoczenia na kolejnych kondensatorach: a) ładowanie, b) rozładowanie.

Z rysunku widać że wszystkie kondensatory zachowują się bardzo podobnie. Niewielki wzrost wartości napięć na kolejnych urządzeniach prawdopodobnie wynika z budowy układu ładowania/rozładowania.

Etap II: Zmiana temperatury kondensatorów

Na tym etapie badań wartością zmienną była temperatura otoczenia. Przy pomocy układu kontroli środowiskowej ustalano temperaturę na żądanym poziomie i wykonano serie pomiarowe. Wyniki pomiarów opracowano w sposób pozwalający na porównanie ich z wartościami referencyjnymi – czyli biorąc pod uwagę konkretne chwile czasowe.

Eksperymenty w tej serii wykonano na dwóch różnych stanowiskach. W przypadku podwyższenia temperatury względem otoczenia kondensatory zostały umieszczone w suszarce chemicznej dającej możliwość regulacji temperatury. Układy pomiarowe zostały umieszczone poza urządzeniem. Stanowisko zaprezentowano na rysunku:

suszarka

Rysunek 10. Stanowisko eksperymentalne zbudowane na bazie suszarki chemicznej.

W kolejnym etapie podniesiono temperaturę otoczenia do 50 OC i uruchomiono układ. Wykonano serię eksperymentów i ponownie podniesiono temperaturę – tym razem do 100 OC.

W celu porównania przebiegów ładowania i rozładowania skonstruowano wykresy. Na wykresach przedstawiono po 5 eksperymentów przeprowadzonych dla temperatur 293 K, 232 K oraz 373 K.

przebiegi

Rysunek 11. Porównanie przebiegów napięcia dla różnych temperatur (wybrany kondensator).

Z wykresu widać że zmiana temperatury ma wpływ na przebieg zarówno ładowania jak i rozładowania kondensatorów. Można stwierdzić że proces ładowania w podwyższonej temperaturze jest wolniejszy gdyż w tym samym czasie napięcie osiąga niższą wartość. W przypadku procesu rozładowania można zauważyć wolniejszy spadek napięcia na kondensatorze. Pozwala to na wniosek że podniesiona temperatura wpływa dynamikę działania kondensatora.

Ponieważ dla wspólnych warunków wykonano od 17 do 40 eksperymentów wyniki zestawiono również w postaci wykresów podzielonych na różne chwile czasowe. Charakter wpływu zmiany temperatury przedstawiono w postaci wykresów napięcia w kolejnych chwilach czasowych dla pojedynczego kondensatora i trzech temperatur. Wyniki podzielono na 4 kolejne wykresy w celu uwidocznienie zmian.

wyniki

                                                             Rysunek 12. Wyniki badań nad wpływem temperatury na pracę kondensatorów.

W celu sprawdzenia czy charakter zmian jest zachowany dla różnych kondensatorów zestawiono ze sobą wyniki z wybranego losowo eksperymentu dla trzech kondensatorów i dwóch chwil czasowych.

wyniki2

 

Rysunek 13. Porównanie trzech kondensatorów w dwóch chwilach czasowych

Poza pewnymi różnicami w wartościach pokazanymi już wcześniej można zauważyć że wszystkie kondensatory zachowują się tak samo w zmiennej temperaturze i potwierdzają trend znaleziony powyżej.

Drugą częścią badań było sprawdzenie wpływu obniżenia temperatury na pracę kondensatorów. Badania te przeprowadzono na stanowisku opisanym dokładniej w sekcji „Budowa stanowiska testowego”. Do badań użyto innej grupy kondensatorów w celu wyeliminowania jakichkolwiek uszkodzeń powstałych w poprzednich badaniach. Procedura badawcza wyglądała analogicznie – najpierw przeprowadzono badania w temperaturze 293 K a następnie obniżono ją do ok. 273 K. Zbudowane stanowisko nie pozwalało na dalsze obniżanie temperatury.

W celu powtarzalności wyników sporządzono wykres prezentujący napięcie wybranego kondensatora w konkretnej chwili czasowej serii eksperymentów

wyniki3

Rysunek 14. Test powtarzalności eksperymentów dla dwóch temperatur a) 273 K; b) 293 K.

Na powyższych wykresach można zauważyć że rozrzut wartości w kolejnych eksperymentach jest dosyć znaczący – dużo większy niż w przypadku poprzednich eksperymentów. Prawdopodobnie jest to związane z budową stanowiska. Niemniej jednak na zestawieniu 5 wybranych losowo eksperymentów z obu serii pomiarowych dla jednego kondensatora widać wyraźny wpływ temperatury otoczenia na pracę układów – nawet mimo rozrzutu w kolejnych próbach. Wynik ten zaprezentowano poniżej.

wyniki4

Rysunek 15. Wpływ obniżenie temperatury otoczenia na pracę przykładowego kondensatora.

Kolejnym krokiem było sprawdzenie zachowania w różnych chwilach czasu w zależności od temperatury otoczenia. Osobno przedstawiono wyniki dla ładowania i rozładowania.

wyniki5

Rysunek 16. Wyniki wpływu temperatury na proces ładowania.

wyniki6

Rysunek 17. Wpływ obniżenia temperatury na proces rozładowania.

Z wykresów wynika że w niższej temperaturze otoczenia kondensator w pierwszej fazie procesu ładuje się wolniej następnie jednak następuje przyspieszenie ładowania i w rezultacie po 900 sekundach ładowania (przy tych samych warunkach zasilania) to kondensator umieszczony w chłodniejszym otoczeniu przejawia wyższe napięcie.

Proces rozładowania natomiast przebiega dosyć spokojnie i w każdej chwili czasu na kondensatorze zimniejszym utrzymuje się nieco wyższe napięcie.

Podsumowując istnieje wyraźny trend zależności pomiędzy temperaturą a napięciem kondensatora zarówno podczas ładowania jak i rozładowania. Wpływ ten objawia się w dynamice działania kondensatorów. Mimo iż w przebadanym zakresie wartości różnic nie są duże w to jednak wydaje się iż mogą one wpływać na działanie bardziej czułych urządzeń. Można zatem przyjąć że temperatura pracy powinna być uwzględniona dla precyzyjnych urządzeń korzystających ze źródła zasilania jakim są kondensatory.

ETAP III: Zmiana ciśnienie otoczenia

Ten etap badań polegał na wykonaniu pomiarów dla różnych ciśnień zewnętrznych. W badaniach wykorzystano zbudowane stanowisko do którego podłączono małą pompę próżniową a regulacja ciśnienia odbywała się przy pomocy zaworu upustowego. Ponownie wykorzystano nowe kondensatory i wykonano próby w warunkach normalnych. Następnie zamknięto komorę i zmniejszono ciśnienia. Badania przeprowadzono kolejno dla trzech poziomów ciśnienia: 0.8, 0.6 oraz 0.3 bara. Zestawienie 5 eksperymentów z każdej serii pomiarowej pokazano na rysunku.

wyniki7

Rysunek 18. Wpływ ciśnienia zewnętrznego - zestawienie przebiegów napięcia dla wybranych eksperymentów.

Mimo pierwszego wrażenia że obniżenia ciśnienia zewnętrznego wpływa na proces ładowania i rozładowania należy pamiętać że powyższy wykres przedstawia tylko kilka losowo wybranych prób. Analiza większej ilości przypadków (ponad 100 eksperymentów) dla losowo wybranego kondensatora ujawnia iż nie widać wyraźnego wpływu obniżania ciśnienia na zachowanie kondensatorów. Pokazują to poniższe wykresy.

wyniki8

Rysunek 19. Wpływ zmiany ciśnienia otoczenia na proces ładowania kondensatorów

wyniki9

Rysunek 20. Wpływ zmiany ciśnienia otoczenia na proces rozładowania kondensatorów.

Spodziewanym efektem działania podciśnienia na superkondensatory było w zasadzie rozszczelnienie obudowy i uszkodzenie urządzenia. Jednym z założeń prowadzonych eksperymentów było sprawdzenie przy jakim podciśnieniu nastąpi uszkodzenie kondensatora. W badanym zakresie nie wystąpił taki efekt. Nawet przy maksymalnym podciśnieniu (0.3 bar abs) kondensatory zachowały zdolność pracy i nie zmieniły swoich parametrów.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania miały na celu sprawdzenie wpływu parametrów otoczenia na pracę kondensatorów. Wyniki wskazują że istnieje zauważalny wpływ temperatury otoczenia na urządzenia. Zarówno podnoszenie jak i obniżanie temperatury nieznacznie wpływa na proces ładowania i rozładowania kondensatorów. W przypadku większości urządzeń wpływ ten zapewne może być pominięty w pewnym zakresie, ale dla bardziej precyzyjnych zastosowań należałoby uwzględnić warunki pracy. Ciśnienie otoczenia nie wywiera wpływu na działania kondensatorów – przynajmniej w przebadanym zakresie.

W założeniach do projektu było również badanie kombinacji dwóch czynników – zmiany temperatury i otoczenia ale w trakcie projektu zrezygnowano z niego gdyż samo ciśnienie nie miało wpływu na wyniki. Badanie kombinacji ciśnienia i temperatury wydawała się zatem nieuzasadniona na tym etapie. Zakładano również rozładowywanie kondensatorów przy pomocy różnych oporników jednak zaskakująco wysoka cena oporników oraz komplikacje związane z ich wymianą w układzie ładownia/rozładowania również wyeliminowały możliwość przeprowadzenia takich eksperymentów.

Niemniej jednak sam projekt może być podstawą do rozwijania badań w zakresie superkondensatorów. Powstałe stanowiska są wykonane starannie i dają dużą możliwość ewentualnych modyfikacji. Podczas prowadzenia badań autorowi nasunęło się kilka pomysłów w jaki sposób poprawić precyzję wykonywanych pomiarów. Niewykluczone więc że badania będą kontynuowane w przyszłości w rozszerzonym zakresie warunków otoczenia.