CC BY
7
УДК 681.11.031.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
12 2 Н.В. Москаленко , И.В. Ковкин , Ю.А. Кремзуков .
'Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики Российская Федерация, 634034, г. Томск, ул. Белинского 53 2Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 40 E-mail: [email protected]
Статья содержит описание принципов работы супер-конденсаторов и особенностей их функционирования. Основной целью работы является рассмотрение возможности применения блоков суперконденсаторов в системах электропитания малых космических аппаратов.
Ключевые слова: супер-конденсатор, система электропитания, аккумуляторная батарея, гибридный накопитель.
INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY OF USING SUPERCAPACITORS IN THE POWER SUPPLY SYSTEM OF SMALL SPACECRAFT
N.V Moskalenko1, I.V. Kovkin2, Y.A. Kremzukov2.
Research Institute Automatics and Electromechanics 53, Belinskogo Str., Tomsk, 634034, Russian Federation 2Tomsk State University of Control Systems and Radio-electronics 40, Lenina Str., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article presents a description of the principles of operation of supercapacitors and the features of their functioning. The main purpose of the work is to consider the possibility of using supercapacitor blocks in power supply systems for small spacecraft.
Keywords: supercapacitor, power supply system, rechargeable battery, hybrid electric energy storage.
Одной из важнейших подсистем космического аппарата (КА), обеспечивающих его работоспособность, является система электропитания (СЭП). Срок активного существования и показатели эффективности КА во многом определяются качеством энергоснабжения его платформы и бортовой аппаратуры. Типичная структура СЭП включает в себя первичный и вторичный источники электропитания, энерго-преобразующую аппаратуру и автоматику управления [1]. Как правило, в качестве первичного источника энергии выступают солнечные батареи (СБ), а в качестве вторичного - аккумуляторные батареи (АБ). Современные, высокотехнологичные решения на рынке электротехники позволили реализовать альтернативные структуры СЭП, позволяющие использовать в качестве источников энергии иные типы энергоносителей - суперконденсаторы (СК).
В настоящее время наиболее часто встречающимися обозначениями для данной группы устройств является «суперконденсаторы». В литературе также нередко используются
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
альтернативные названия, например, «ионистор», «двухслойный конденсатор» или «ультраконденсатор». Все эти именования используются для обозначения одного и того же компонента - энергонакопительного конденсатора с двойным электрическим слоем. На рис. 1 для наглядности приведена внутренняя структура суперконденсатора.
6
Рис. 1. Внутренняя структура суперконденсатора, 1 - ток коллектора,
2 - поляризованный электрод, 3 - двойной электрический слой, 4 - электролит, содержащий положительные и отрицательные ионы, 5 - сепаратор, 6 - источник питания
При подаче напряжения на СК создается «двойной электрический слой», который выравнивает как отрицательные, так и положительные заряды ионов вдоль границ электродов и раствора электролита. Это место работает как склад для хранения электрических зарядов. Пока СК заряжается, ионы из электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием, тем самым накапливая энергию, образующуюся между частицами. Сепаратор служит для пропускания ионов и не допускает короткого замыкания между поляризованными электродами. Под действием приложенного внешнего напряжения на границе электролита и сепаратора носители заряда образуют два электронных слоя. Накапливаемый заряд в конденсаторе прямо пропорционален площади поверхности сепаратора. Сумма накопленного заряда СК в первую очередь зависит от размера электрода.
Благодаря своим электрохимическим свойствам современные накопители энергии обладают рядом преимуществ. В отличие от традиционно используемых АБ, СК могут перезаряжаться в течение нескольких секунд и выдерживать большое количество циклов «заряд-разряд». СК по своим функциям схожи с другими типами конденсаторов: они передают накопленную энергию другим элементам электрической цепи. АБ, топливные элементы, конденсаторы и СК являются неотъемлемыми компонентами систем преобразования и хранения энергии. Преимущества СК в основном связаны с высокой удельной мощностью, значительно большим количеством циклов заряда/разряда их эффективностью и диапазоном рабочих температур [2].
Следует отметить, что низкая энергетическая плотность современных СК, равная 2,5-6 Втч/кг, а также высокий ток саморазряда не позволяют рассматривать их как полную альтернативу АБ. В связи с этим будет рассматриваться целесообразность применения СК совместно с другими накопителями электрической энергии, то есть в составе гибридных накопителей. Однако существуют способы повышения энергетической плотности заряда СК, в частности - использование новых материалов для электродов [3].
Не так давно российские и зарубежные ученые синтезировали полупроводниковый композит на основе наночастиц феррита кобальта, феррита марганца и графена, что позволит
увеличить удельную емкость и улучшить проводимость, что положительно скажется на энергоэффективности СК [4].
На сегодняшний день СК находят все более широкое применение в различных отраслях. Примерами эффективного использования СК является электрический транспорт, системы управления и ветреные электростанции.
Так же СК могут применяются в источниках бесперебойного питания (ИБП), когда требуется обеспечить на короткое время поддержания аварийного питания нагрузки при отказе основного источника питания. Время работы ИБП на СК относительно короткое, но достаточное для запуска резервного источника питания или корректного отключения питаемого оборудования. Кроме того, ИБП может выступать в качестве буферного устройства электропитания при пиковых нагрузках на систему, работа которого связана с многократным повторением кратковременных циклов максимального энергопотребления.
Рассматривая возможность применения СК в СЭП КА, предполагается их применение в качестве вторичного источника электропитания. В такой системе блок СК будет задействован при условии значительного падения напряжения питания от АБ. Данный режим работы возникает во время нахождения КА на теневом участке орбиты.
Применение СК в малых КА позволит снизить конечную стоимость СЭП и ее массогабаритные показатели при сохранении требуемого уровня мощности, поскольку построение СЭП той же мощности с использованием лишь АБ заметно дороже.
СК эффективны при накоплении и передаче большого количества энергии, что делает их подходящими для гибридных накопителей электрической энергии. Применение блока СК представляется перспективным решением для СЭП, в которых важно обеспечить высокую выходную мощность на короткий промежуток времени. Быстрые выбросы энергии при разряде СК эффективны в режимах пикового потребления электрической энергии.
Потенциал СК раскрывается в полной мере, когда они применяются совместно с АБ в единой гибридной системе. Такая система позволяет объединить в себе преимущества обоих накопителей энергии - длительную непрерывную работу и долговременное накопление энергии благодаря АБ, а также сверхбыструю частичную зарядку и максимальную выходную мощность благодаря использованию СК.
Библиографические ссылки
1. Петровичев М. А., Гуртов А. С. Система энергоснабжения бортового комплекса космических аппаратов: учеб. пособие. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007. 4 с.
2. Кузнецов В. П, Панькина О. С, Мачковская Н. И. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство / В. П. Кузнецов, О. С. Панькина, Н. И. Мачковская // Компоненты и технологии. - 2012.
3. Перспективы применения суперконденсаторов в гибридных накопителях электрической энергии URL: кйр://актуальность.рф/Е8-43_оп§та1шаке1:_К.рёГ (дата обращения: 03.28.2022).
4. Structural, Magnetic, and AC Measurements of Nanoferrites/Graphene Composites [Электронный ресурс]. URL: https://www.mdpi.eom/2079-4991/12/6/931/htm (дата обращения: 03.21.2022).
© Москаленко Н.В., Ковкин И.В., Кремзуков Ю.А., 2022
