УДК 339.54.012

Учебный стенд для наглядной демонстрации работы ионистров

Крапивко Виктор Павлович – аспирант электромеханического факультета Сибирского государственного университета водного транспорта.

Горелов Сергей Валерьевич – доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетических систем и электротехники Сибирского государственного университета водного транспорта.

Шеронов Евгений Иванович – магистр механико-технологического факультета Новосибирского государственного технического университета.

Аннотация: В статье рассматриваются такие понятия, как ионисторы и суперконденсаторы. Цель данной статьи представить аналог демонстрационного учебного стенда, так как на сегодняшний день данные стенды стоят очень дорого. Для уменьшения расходов происходит переход от постоянного тока к переменному, благодаря чему уменьшается стоимость комплектующих. Ниже будет представлена электрическая схема и подробное описание каждого элемента. На данном стенде имеется оборудование для регулировки сопротивления, благодаря чему увеличивается спектр применения и можно проводить расчеты и сравнивать их с фактическими значениями.

Ключевые слова: суперконденсаторы, ионистор, стенд, источник энергии, сокращение затрат, рабочее напряжение.

Ионистор (суперконденсатор) - это электрохимическое устройство, которое способно хранить электрическую энергию на основе принципов двойного слоя заряда. В отличие от обычных конденсаторов, ионисторы имеют гораздо большую емкость и могут заряжаться и разряжаться значительно быстрее. Ионисторы представляют собой перспективное решение для энергоемких приложений, таких как электромобили, хранение электроэнергии и альтернативные источники энергии[1]. Основной принцип работы ионисторов заключается в образовании двойного слоя заряда на границе раздела электролита и электрода. Электролит содержит положительно и отрицательно заряженные ионы, которые при воздействии на электрическое поле мигрируют к электродам, создавая двойной слой заряда. Этот процесс происходит очень быстро и позволяет ионистору накапливать большое количество энергии. Структура ионистора состоит из двух электродов, разделенных электролитической прослойкой. Электроды могут быть изготовлены из различных материалов, таких как активированный уголь, металлы или проводящие полимеры. Электролитическая прослойка обеспечивает разделение электродов и позволяет ионам свободно перемещаться между ними. Это способствует образованию двойного слоя заряда и сохранению энергии. Одним из главных преимуществ ионисторов является их большая емкость. Обычный конденсатор имеет относительно низкую емкость, в то время как ионисторы способны хранить значительно больше энергии. Это делает их привлекательными для использования в энергоемких приложениях, где требуется большой запас энергии.

В современном образовательном процессе особое внимание уделяется практическому обучению, которое позволяет студентам применять теоретические знания на практике. В этом контексте альтернативное оборудование играет важную роль, предоставляя студентам возможность получить практические навыки и опыт, необходимые для их будущей профессиональной деятельности. Альтернативное оборудование дает студентам возможность практического применения теоретических знаний, что помогает им лучше усвоить материал и развить навыки, необходимые для работы в своей профессии. Например, студенты медицинских специальностей могут использовать манекены и симуляторы для тренировки различных медицинских процедур, что поможет им подготовиться к реальной практике. Альтернативное оборудование позволяет студентам практиковать определенные навыки без риска для себя или окружающих. Например, студенты, обучающиеся на автомобильных специальностях, могут использовать автоматические тренажеры для тренировки вождения, что позволит избежать возможных аварий и повреждений реальных автомобилей. Кроме того, использование альтернативного оборудования позволяет экономить ресурсы, так как нет необходимости использовать реальные объекты или материалы для практики. Использование альтернативного оборудования делает обучение более интересным и привлекательным для студентов. Новые технологии, симуляторы и виртуальные среды создают учебную атмосферу, близкую к реальной практике, что стимулирует студентов к активному участию в обучении и повышает их мотивацию. Использование альтернативного оборудования в обучении студентов способствует развитию их творческого мышления и способности к инновациям. Например, студенты инженерных специальностей могут использовать 3D-принтеры и другие современные технологии для создания прототипов и моделей своих проектов. Это позволяет им экспериментировать, тестировать и улучшать свои идеи, что способствует развитию креативности и инженерных навыков. Использование альтернативного оборудования позволяет преподавателям более эффективно актуализировать учебный материал и привнести новые технологии и подходы в образовательный процесс. Например, использование виртуальной реальности или дополненной реальности позволяет студентам погрузиться в симулированную среду, где они могут взаимодействовать с объектами и ситуациями, которые не доступны в реальной жизни. Это помогает им лучше понять и запомнить учебный материал, а также развивает их умение анализировать и решать проблемы[2]. На сегодняшний день цена аналогичных стендов слишком высока. Исходя из этого, был разработан аналог, который представлен далее на рисунке 1.

Рисунок1

Рисунок 1. Демонстрационный стенд

Принято было работать на низком напряжении, а именно 12 V, что снизило количество инонисторов до трех штук по 5,5 V. Далее на рисунке 2 представлена электрическая схема данного стенда.

Рисунок2

Рисунок 2. Электрическая схема

После подключения к сети и полного заряда суперконденсаторов, появляется возможность проверить реальные показания с фактическими. Рассчитаем энергию, накапливаемую на суперконденсаторах.

(1)

, где W- энергия, Дж;

C- электроёмкость, Ф;

U- напряжение, В.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что 3 ионистора по 2 фарада могут накопить 432 Джоуля.

Вычислим электроемкость цепи, при последовательном соединение 3 ионсисторов, по формуле 2[3].

(2)

По данным расчетам делаем вывод, что электроёмкость цепи составляет 0,67 Фарада.

Последний шаг, это расчет времени разряда ионистора (по формуле 3) и проверкой с фактическим.

(3)

,где R- сопротивление цепи, Ом.

За время t суперконденсатор емкостью С, подключенный последовательно с резистором R, зарядится примерно до 2/3 (точнее до 63,2%) напряжения питания. За время 5t суперконденсатор зарядится до значения очень близкое к напряжению питания (99,3%). Эти интервалы обусловлены тем, что процесс зарядки конденсатора является не линейной функцией (экспоненциальной).

Также можно рассчитать напряжение в зависимости от времени, при разряде ионисторов по формуле 4.

(4)

e – основание натурального логарифма ≈ 2,718.

В заключение, ионисторы представляют собой перспективное решение для энергоемких приложений. Их большая емкость, высокая скорость зарядки/разрядки, длительный срок службы и высокая энергоэффективность делают их привлекательными для использования в различных областях. Однако необходимо продолжать исследования и развитие технологии ионисторов, в частности, снижение стоимости производства и повышение напряжения, чтобы расширить их применение и добиться массового производства[4]. Себестоимость данного стенда составляет 11000 рублей, без учета работ. Благодаря ему можно упростить систему обучения в данной теме.

Список литературы

Компан М.Е., Кузнецов В.П., Малышкин В.Г. Нелинейный импеданс твердотельных энергонакопительных конденсаторов-ионисторов // Журнал технической физики, 2010, том 80, вып. 5. С. 100-101
Булычев А.В., Нудельман Г.С. Релейная защита. Совершенствование за счет упреждающих функций. Новости электротехники, №4 (58), 2009 г. с. 30-33.
Нудельман Г. С., Шалин А. И. Микропроцессорные системы РЗА. Оценка эффективности и надежности. - Новости электротехники, 2008, № 3 (51).
Федоров Ю. Исследование коммутационных перенапряжений и их воздействия на полупроводниковые диоды в цепях оперативного постоянного тока электрических странций и подстанций : диссертация ... кандидата технических наук. - М., 1984. С. 172-174.
Гусев Ю.П., Смотров Н.Н., Чо Г.Ч. Применение ионисторов в системах оперативного постоянного тока для сглаживания провалов напряжения // Электротехника. 2017. № 10 С. 65-69.