هل يمكن أن يستبدل المؤين البطارية؟

اليوم ، تقدمت تكنولوجيا البطاريات بشكل ملحوظ وأصبحت أكثر تقدمًا مما كانت عليه في العقد الماضي. ولكن ، في الوقت الحالي ، لا تزال البطاريات قابلة للاستهلاك ، لأن لديها موارد صغيرة.

إن فكرة استخدام مكثف لتخزين وتخزين الطاقة ليست جديدة ، وقد أجريت التجارب الأولى مع المكثفات الإلكتروليتية. إن سعة المكثفات الإلكتروليتية مهمة - مئات الآلاف من الميكروفاراد ، ولكن لا تزال غير كافية لتزويد حمولة طويلة ، على الرغم من أنها ليست حمولة كبيرة ، علاوة على ذلك ، هناك تيار تسرب كبير بسبب ميزات التصميم.

التكنولوجيا الحديثة لا تقف ساكنا ، وقد تم اختراع التأين ، هذا مكثف ، لديه سعة كبيرة جدًا - من وحدات الفاراد إلى عشرات الآلاف من الفاراد. تُستخدم الأيونستورات ذات سعة وحدة فاراد في الإلكترونيات المحمولة ، لضمان الطاقة غير المنقطعة للدوائر ذات التيار المنخفض ، مثل وحدة التحكم الدقيقة. ويتم استخدام عشرات الآلاف من الأيونات الفاراد بالاقتران مع البطاريات لتشغيل مختلف المحركات الكهربائية. في هذا المزيج ، يقلل المؤين الحمل على البطاريات ، مما يزيد بشكل كبير من عمر البطارية ويزيد في الوقت نفسه تيار البدء الذي يمكن أن يعطيه نظام طاقة المحرك الهجين.



كانت هناك حاجة لتشغيل جهاز استشعار درجة الحرارة ، حتى لا يتم تغيير البطارية فيه. يعمل المستشعر ببطارية مقاس AA قياسية ويتم تشغيله لإرسال البيانات إلى محطة الطقس مرة كل 40 ثانية. في وقت الإرسال ، يستهلك المستشعر في المتوسط ​​6 مللي أمبير لمدة ثانيتين.

كانت هناك فكرة لاستخدام بطارية شمسية ومؤين. استنادًا إلى خصائص الاستهلاك المكتشفة للمستشعر ، تم أخذ العناصر التالية:
1. بطارية شمسية 5 فولت وحوالي 50 مللي أمبير الحالية (بطارية شمسية سوفيتية الصنع عمرها 15 عامًا تقريبًا)
2. أيونيستور: باناسونيك 5.5 فولت و 1 سعة فاراد.
3. أيونيستورز عدد 2 قطعة: DMF 5.5 فولت وسعة إجمالية 1 فاراد.
4. شوتكي ديود مع انخفاض الجهد المباشر عند تيار منخفض 0.3 فولت.
هناك حاجة إلى الصمام الثنائي Schottky لمنع تصريف السعة من خلال بطارية شمسية.
ترتبط الأيونات المؤينة بالتوازي ، وتبلغ السعة الإجمالية فارادتين.


صورة 1.

التجربة رقم 1 - قمت بتوصيل متحكم مع شاشة LCD أحادية اللون وتيار إجمالي للاستهلاك يبلغ 500 μA. على الرغم من أن الميكروكونترولر مع الشاشة يعمل ، لاحظت أن الخلايا الشمسية القديمة كانت غير فعالة للغاية ، تيار الشحن في الظل لم يكن كافيًا لشحن الأيونات على الإطلاق ، كان الجهد على البطارية الشمسية 5 فولت في الظل أقل من 2 فولت. (لبعض الأسباب ، لا يظهر متحكم مع الشاشة في الصورة).

التجربة 2
لزيادة فرصة النجاح ، اشتريت في سوق الراديو خلايا شمسية جديدة ذات تصنيف 2 فولت ، تيار 40 مللي أمبير و 100 مللي أمبير ، صيني الصنع مغمور بالراتنج البصري. للمقارنة ، أعطت هذه البطاريات الموجودة في الظل 1.8 فولت بالفعل ، في حين أنها ليست تيار شحن كبير ، ولكن لا يزال هناك أيونات شحن أفضل بشكل ملحوظ.
لحام التصميم بالفعل مع بطارية جديدة ، الصمام الثنائي Schottky والمكثفات ، وضعته على حافة النافذة بحيث يتم شحن المكثف.
على الرغم من حقيقة أن ضوء الشمس لم يصطدم بالبطارية بشكل مباشر ، إلا أنه بعد 10 دقائق تم شحن المكثف حتى 1.95 فولت. أخذ جهاز استشعار درجة الحرارة ، وأخرج البطارية منه وربط أيونيًا مع بطارية شمسية بجهات اتصال حجرة البطارية.


الصورة 2.

بدأ جهاز استشعار درجة الحرارة العمل على الفور ونقل درجة حرارة الغرفة إلى محطة الطقس. بعد التأكد من عمل المستشعر ، قام بتركيب مكثف عليه بطارية شمسية وعلقها في مكانها.
ماذا حدث بعد ذلك؟
عمل المستشعر طوال ساعات النهار بشكل صحيح ، ولكن بعد حلول الظلام ، وبعد ساعة ، توقف المستشعر عن إرسال البيانات. من الواضح أن الشحنة المخزنة لم تكن كافية حتى لساعة من تشغيل المستشعر وبعد ذلك أصبح من الواضح لماذا ...

التجربة رقم 3
قررت أن أقوم بتعديل التصميم قليلاً بحيث يكون الشحن المتأين (الذي أعاد تجميع 2 من الأيونات الفاراد) مشحونًا بالكامل. جمعت بطارية من ثلاثة عناصر ، وتبين أنها 6 فولت وتيار 40 مللي أمبير (في ضوء الشمس الكامل). أعطت هذه البطارية في الظل ما يصل إلى 3.7 فولت بدلاً من 1.8 فولت السابقة (الصورة 1) وتيار شحن يصل إلى 2 مللي أمبير. وفقًا لذلك ، كان الشحن المتأين يشحن حتى 3.7 فولت ولديه بالفعل طاقة مخزنة أكثر بكثير مقارنة بالتجربة رقم 2.


الصورة 3.

كل شيء سيكون على ما يرام ، ولكن الآن لدينا ما يصل إلى 5.5 فولت من الناتج ، والمستشعر مدعوم من 1.5 فولت مطلوب محول DC / DC ، والذي بدوره يؤدي إلى خسائر إضافية. المحول الذي كنت أستخدمه ، استهلك حوالي 30 μA وأعطى 4.2 فولت عند الإخراج ، حتى الآن لم أتمكن من العثور على المحول الذي أحتاجه لتشغيل مستشعر درجة الحرارة من التصميم الحديث. (سيكون من الضروري اختيار محول وتكرار التجربة).

حول خسائر الطاقة:
ذكر أعلاه أن الأيونات المتأينة لديها تيار تفريغ ذاتي ، في هذه الحالة كان 50 μA للتجميع 2 farads ، وخسائر في محول DC / DC حوالي 4 ٪ (الكفاءة المعلنة 96 ٪) وسرعتها الخاملة 30 μA تمت إضافتها هنا . إذا لم تأخذ في الاعتبار خسائر التحويل ، فنحن نستهلك بالفعل حوالي 80 μA.
من الضروري أخذ توفير الطاقة بعناية شديدة ، لأنه ثبت تجريبياً أن أيونًا استونيًا بسعة 2 فاراد يتم شحنه إلى 5.5 فولت ويتم تفريغه إلى 2.5 فولت ، لذلك ، على سبيل المثال ، سعة "بطارية" 1 مللي أمبير. بمعنى آخر ، من خلال استهلاك 1 مللي أمبير من الأيونستور لمدة ساعة ، سنقوم بتفريغها من 5.5 فولت إلى 2.5 فولت.

حول سرعة الشحن في ضوء الشمس المباشر:
التيار المستلم من البطارية الشمسية أعلى ، كلما كانت البطارية مضاءة أفضل من ضوء الشمس المباشر. وفقًا لذلك ، تزداد سرعة شحن الأيونات بشكل كبير.


الصورة 4.

من قراءات جهاز القياس المتعدد يمكن رؤيته (0.192 فولت ، القراءات الأولية) ، بعد دقيقتين تم شحن المكثف إلى 1.161 فولت ، بعد 5 دقائق إلى 3.132 فولت وبعد 10 دقائق 5.029 فولت. وتجدر الإشارة إلى أن إضاءة البطارية الشمسية كانت متفاوتة طوال الوقت وحدثت من خلال زجاج نافذة مزدوج وفيلم واقي للبطارية.

تقرير فني عن التجربة رقم 3
الخصائص التقنية للتخطيط:
- بطارية شمسية 12 خلية ، 6 فولت ، تيار 40 مللي أمبير (عند تعرضها بالكامل لأشعة الشمس) ، (3.7 فولت في ظل طقس غائم و 1 مللي أمبير تيار مع حمل على التأين).
- موصلات Ionistors متوازية ، السعة الإجمالية هي 2 Farads ، الجهد المسموح به هو 5.5 V ، تيار التفريغ الذاتي هو 50 μA ؛
- يستخدم الصمام الثنائي Schottky مع انخفاض الجهد المباشر 0.3 فولت ، لعزل البطارية الشمسية والمؤين الأيوني للطاقة.
- أبعاد التخطيط 55 × 85 مم (بطاقة بلاستيكية فيزا).
من هذا النموذج ، كان من الممكن تشغيل:
متحكم مع شاشة LCD (الاستهلاك الحالي 500 μA عند 5.5 فولت ، وقت التشغيل بدون بطارية شمسية ، حوالي 1.8 ساعة) ؛
مستشعر درجة الحرارة ، ساعات العمل في اليوم مع بطارية شمسية ، استهلاك 6 مللي أمبير لمدة ثانيتين كل 40 ثانية ؛
توهج LED لمدة 60 ثانية بمتوسط ​​تيار 60 مللي أمبير بدون بطارية شمسية ؛
كما تم اختبار محول جهد DC / DC (لإمداد طاقة مستقر) ، حيث كان من الممكن الحصول على 60 مللي أمبير و 4 فولت ، في غضون 60 ثانية (عندما تم شحن المقاوم الأيوني حتى 5.5 فولت ، بدون بطارية شمسية).
تشير البيانات التي تم الحصول عليها إلى أن سعة التأين في هذا التصميم تبلغ 1 مللي أمبير تقريبًا (بدون إعادة الشحن من البطارية الشمسية مع تفريغ يصل إلى 2.5 فولت).

الاستنتاجات:
يسمح لك هذا التصميم بتخزين الطاقة في المكثفات لإمداد الطاقة المتواصل لأجهزة الطاقة الصغيرة. يجب أن تكون السعة المتراكمة 1 مللي أمبير لكل 2 فاراد من سعة المكثف كافية لضمان تشغيل المعالج الدقيق مع استهلاك منخفض في الظلام لمدة 10 ساعات. في هذه الحالة ، يجب ألا يتجاوز إجمالي الخسارة والاستهلاك الحاليين للحمل 100 μA. خلال النهار ، يتم إعادة شحن الأيوني من البطارية الشمسية حتى في الظل وقادر على تشغيل الحمل في الوضع النبضي بتيار يصل إلى 100 مللي أمبير.

نجيب على السؤال في عنوان المقال - هل يمكن أن يستبدل ionistor البطارية؟
- يمكن أن تحل محل ، ولكن حتى الآن مع قيود كبيرة على الاستهلاك الحالي ووضع التشغيل للحمل.

سلبيات:

• سعة تخزين منخفضة الطاقة (حوالي 1 مللي أمبير لكل 2 سعة فاراد من التأين)
• تيار ذو تفريغ ذاتي مكثف مهم (خسارة مقدرة بقدرة 20٪ في اليوم)
• يتم تحديد أبعاد الهيكل بواسطة البطارية الشمسية والقدرة الإجمالية للأيونات.

مزايا:

• عدم وجود عناصر كيميائية (مراكم)
• تتراوح درجة حرارة التشغيل من -40 إلى +60 درجة مئوية
• بساطة التصميم
• ليست تكلفة عالية

بعد كل التجارب التي تم إجراؤها ، جاءت الفكرة لتحديث التصميم على النحو التالي


الصورة 5.

على جانب واحد من اللوحة توجد بطارية شمسية ، من ناحية أخرى مجموعة من الأيونات ومحول DC \ DC.

مواصفات:

• بطارية شمسية 12 خلية ، 6 فولت ، تيار 60 مللي أمبير (مع التعرض الكامل لأشعة الشمس) ؛
• القدرة الإجمالية Ionistors 4 ؛ 6 أو 16 فاراد ، جهد مسموح به 5.5 فولت ، إجمالي تيار التفريغ الذاتي ، على التوالي ، 120 \ 140 \ (غير معروف بعد) μA ؛
• الصمام الثنائي شوتكي مزدوج مع انخفاض في الجهد المباشر 0.15 فولت ، يتم استخدامه لفصل طاقة البطارية الشمسية و التأين.
• أبعاد التخطيط: 55 × 85 مم (بطاقة بلاستيكية فيزا) ؛
• السعة المقدرة بدون إعادة الشحن من الألواح الشمسية عند تركيب المكثفات 4 ؛ 6 أو 16 فاراد ، حوالي 2 \ 3 \ 8 مللي أمبير.

ملاحظة: إذا لاحظت خطأ مطبعيًا أو خطأ أو عدم دقة في الحسابات ، فاكتب لنا رسالة شخصية وسنقوم بإصلاحها بسرعة. يتبع

...

المؤلف:
تشويانوف فلاديمير