Государственное бюджетное профессиональное образовательное

учреждение

«Кропоткинский медицинский колледж»

министерства здравоохранения Краснодарского края

(ГБПОУ «Кропоткинский медицинский колледж»)

СТАТЬЯ

на тему:

«Суперконденсатор из строительного материала для аккумулирования

возобновляемой энергии»

Выполнила: преподаватель по

физике

Козлова А.В.

2025 г.

1

Содержание

Введение……………………………………………………………………

3

§1. Понятие «суперконденсатор», его устройство и принцип работы…

6

§2. Виды и особенности работы суперконденсаторов из строительного

материала для аккумулирования возобновляемой энергии ……………… 14

§3. Перспективы применения суперконденсаторов из строительного

материала……………………………………………………………………

25

Заключение………………………………………………………………… 29

2

Введение

В последние годы вопрос зеленой энергетики стал все более громко

обсуждаться во всем мире. Пока политики и активисты обмениваются

обоюдными обвинениями, оправданиями и призывами, научное сообщество

пытается ответить на ряд важных вопросов: где взять зеленую энергию, как

ее

добывать,

и

как

ее

хранить.

Обычно

львиная

доля

внимания

общественности прикована именно к первому, но вопрос хранения добытой

энергии не менее важен. Если представить будущее, в котором человечество

полностью отказалось от ископаемого топлива (или оно просто закончилось,

что куда вероятнее) и перешло на зеленую энергию, то учитывая, что

мировая энергетическая инфраструктура десятилетиями выстраивалась в

соответствии

с

используемыми

ресурсами,

изменение

оного

требует

радикального изменения своей системы.

Фактически, в отличие от энергии ископаемого топлива, для которой

источник энергии и носитель совпадают, производство электроэнергии из

возобновляемых источников (солнце, ветер, приливные волны и т.д.) в один

момент времени для использования в более поздний момент времени требует

накопления

энергии

для

уменьшения

дисбаланса

между

спросом

и

производством.

К сожалению, дефицит минеральных прекурсоров, используемых в

современных аккумуляторных технологиях, является основной причиной

невозможности использования данной технологии в рамках массового

масштабирования для накопления энергии. Следовательно, необходима

альтернативная основа в виде объемных суперконденсаторов, сделанных из

легкодоступных и недорогих материалов.

Суперконденсатор

(ионистор,

ультраконденсатор,

двухслойный

3

электрохимический конденсатор) — 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.

В

отличие

от

батарей,

в

которых

используется

химическое

преобразование энергии для ее хранения, суперконденсаторы основаны на

хранении электрического заряда на материалах с высокой удельной

поверхностью, проводящих электроны.

Чтобы решить эту проблему, ученые решили сосредоточить свои

усилия на двух наиболее потребляемых материалах в мире – строительных

материалах, которые могут служить источником для аккумулирования

возобновляемой энергии.

Изучение устройства, принципа действия и условий эффективного

применения

современных

суперконденсаторах

позволит

сформировать

знания о перспективных энергосберегающих технологиях. В этом и

заключается актуальность исследования.

Объект исследования - суперконденсатор.

Предмет

исследования

–

устройство,

принцип

действия

и

современное применение суперконденсаторов из строительного материала

для аккумулирования возобновляемой энергии.

Цель исследования

- изучить устройство, принцип действия и

современное применение суперконденсаторов из строительного материала

для аккумулирования возобновляемой энергии.

Цель исследования определила его задачи:

1.

Проанализировать

понятие

«суперконденсатор»,

изучить

его

устройство и принцип работы.

4

2.

Рассмотреть виды и особенности работы суперконденсаторов из

строительного

материала

для

аккумулирования

возобновляемой

энергии.

3.

Описать

перспективы

применения

суперконденсаторов

из

строительного материала.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы

исследования: анализ научно-популярной литературы по теме исследования,

обобщение сведений о суперконденсаторах из строительных материалов, их

преимуществах, принципах работы, изучение и анализ эффективности

использования в различных областях.

Практическая значимость работы: разработанные материалы могут

быть использованы в образовательном процессе при изучении физики в

СПО, так как показывают современное применение знаний в области физики.

5

§1. Понятие «суперконденсатор», его устройство и принцип работы

Энергетика - крайне интересная сфера, которая развивается бурными

темпами много лет подряд. В настоящее время публикуются самые разные

статьи об альтернативных источниках энергии, аккумуляторных батареях,

электромобилях и т.п. Но есть одна тема, которая затрагивается не так уж и

часто. Речь идет о суперконденсаторах. Ведь накопленную энергию

необходимо где-то хранить.

Все мы знаем, что такое аккумулятор - это источник постоянной

мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и

маленькие, применяются они крайне широко - от транспорта до игрушек. Так

вот, любой суперконденсатор - это источник не постоянной, а импульсной

мощности,

которая

ограничена

лишь

эквивалентным

внутренним

сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах

короткого замыкания. Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник

кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и

используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на

небольшой срок. Сравнительные характеристики параметров батареи и

суперконденсатора приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики параметров батареи и суперконденсатора

6

Суперконденсатор* (ионистор,

ультраконденсатор,

двухслойный

электрохимический конденсатор) - 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.

Суперконденсаторы называют

еще

ионисторами.

Эти

элементы

состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора.

Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между

двумя электродами с противоположной полярностью (рис. 1).

В отличие от батарей, в которых используется химическое преобразование

энергии для ее хранения, суперконденсаторы основаны на хранении

электрического заряда на материалах с высокой удельной поверхностью,

проводящих электроны (например, пористый углерод). В этих системах

заряд переносится через электролит к местам хранения и может быть

восстановлен за счет изменения разности потенциалов между электродами.

Несмотря на то, что аккумуляторы и конденсаторы способны накапливать

энергию, они работают совершенно по-разному. Конденсаторы состоят из

двух

проводящих

пластин,

погруженных

в

раствор

электролита

и

разделенных изолирующей мембраной. При подаче напряжения на их

выводы положительно заряженные ионы накапливаются на отрицательно

заряженной пластине, и наоборот. Мембрана препятствует миграции ионов

и изменяет распределение электронов в окружающем пространстве. Такое

7

Рис. 1. Строение суперконденсатора

разделение зарядов приводит к увеличению электрического потенциала,

который и является энергией конденсатора. Две пластины накапливают

полученную энергию и очень быстро отдают ее в случае необходимости.

Суперконденсаторы

работают

по

тому

же

принципу,

но

обладают

чрезвычайно высокой емкостью. Емкость конденсатора зависит от общей

площади поверхности его проводящих пластин.

Суперконденсаторы с высокой пропускной способностью зависят от трех

критических характеристик:



электронно-проводящая сеть для зарядки электродов;



накопительная пористость с высокой удельной площадью поверхности,

на которой адсорбируется противоположно заряженный

поверхностный слой;



пористость резервуара для переноса заряда путем диффузии ионов

через насыщающий электролит к поверхностному слою или от него.

У

суперконденсаторов

два

положительных

свойства

-

высокая

мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от

конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода

суперконденсаторов

-

активный

углерод,

у

которого

две

важные

особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое

расстояние между разделенными зарядами.

Еще один положительный момент - длительный срок хранения и

продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это - благодаря

особенностям накопления энергии - суперконденсаторы работают за счет

разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию

суперконденсаторы могут действительно быстро.

Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В

отличие от аккумуляторов, где основная характеристика - это емкость,

измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула,

которая позволяет определить энергию суперконденсатора:

8

W = ½*C*U2

Существует несколько видов суперконденсаторов:



двойнослойные

(ДСК)

-система

состоит

из

двух

пористых

электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором;

запас энергии идет за счет разделения заряда на электродах с очень

большой разностью потенциалов;



псевдоконденсаторы - система включает два твердых электрода и

базируется на двух механизмах сохранения энергии (фарадеевские

процессы и электростатическое взаимодействие);



гибридные конденсаторы -

переходный между конденсаторами и

аккумуляторами; электроды выполнены из разных материалов, а

накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.

Суперконденсаторы необходимы для использования в отраслях, где

нужно отдавать энергию быстро и в большом объеме. В частности, это может

быть:



альтернативная энергетика, накопление энергии при помощи топлива,

волн ветра и солнца;



транспортные системы — это может быть запуск двигателя машин,

гибридные электрические транспортные средства, локомотивы и т.п.



накопители

энергии

в

домохозяйствах

—

например,

там,

где

используются фотоэлементы или ветрогенераторы;



электронные устройства, где суперконденсаторы используются в

качестве источника кратковременного питания;



ИБП (источник бесперебойного питания) — как небольшого размера,

так и очень большие; возможно использовать совместно с топливными

элементами

и

другими

источниками;

суперконденсаторы

дают

возможность компенсировать провалы напряжения, которые приводят

к проблемам с непрерывностью технологических процессов;



традиционная энергетика, в сферах, где неизбежны критические

9

нагрузки, но где требуется бесперебойная работа (аэропорты, вышки

связи, больницы и т.п.);



электронные устройства разного размера и мощности.

Что

касается

ветроэнергетики

и

солнечной

энергетики,

то

суперконденсаторы здесь стоит использовать для развертывания гибридных

систем накопления энергии, которые включают в себя как накопитель на Li-

Ion батареях, так и накопитель на основе суперконденсаторов.

Таким

образом

можно

указать

преимущества

и

недостатки

суперконденсаторов.

Достоинства:



относительно невысокая стоимость устройства накопления энергии в

расчете на 1 Фарад;



крайне высокая плотность мощности;



высокий КПД цикла, который достигает 95% и выше;



надежность, длительный срок службы;



широкий диапазон рабочих температур;



огромное количество циклов с неизменными параметрами;



высокая скорость заряда и разряда;



допустимость разряда до нуля;



относительно небольшой вес.

Недостатки:



относительно небольшая энергетическая плотность;



высокая степень саморазряда;



небольшое напряжение из расчета на единицу элемента.

Достоинств все же больше, чем недостатков, и благодаря этому

технология активно внедряется во все большее количество отраслей. Сейчас

удельная емкость суперконденсаторов увеличивается, а время заряда -

наоборот, снижается. При достижении определенного предела можно будет

говорить о полной замене аккумуляторов на суперконденсаторы в некоторых

10

сферах, что, в целом, уже и происходит.

Одной из сфер применения является аккумулирование возобновляемой

энергии. Если человечество полностью откажется от ископаемого топлива

(или оно просто закончилось, что куда вероятнее) и перейдет на зеленую

энергию,

то

учитывая,

что

мировая

энергетическая

инфраструктура

десятилетиями выстраивалась в соответствии с используемыми ресурсами,

изменение одного требует радикального изменения своей системы.

Фактически, в отличие от энергии ископаемого топлива, для которой

источник энергии и носитель совпадают, производство электроэнергии из

возобновляемых источников (солнце, ветер, приливные волны и т.д.) в один

момент времени для использования в более поздний момент времени требует

накопления

энергии

для

уменьшения

дисбаланса

между

спросом

и

производством.

К сожалению, дефицит минеральных ресурсов, используемых в

современных аккумуляторных технологиях, является основной причиной

невозможности использования данной технологии в рамках массового

масштабирования для накопления энергии. Следовательно, необходима

альтернативная основа в виде объемных суперконденсаторов, сделанных из

легкодоступных и недорогих материалов. Именно такими материалами

являются строительные материалы.

§2. Виды и особенности работы суперконденсаторов из строительного

материала для аккумулирования возобновляемой энергии

Чтобы решить проблему производства объемных суперконденсаторов,

сделанных из легкодоступных и недорогих материалов ученые предлагают

сосредоточить свои исследования в области строительных материалов. В

зависимости от используемого строительного материала можно выделить

11

суперконденсаторы:

- из цемента, воды и сажи;

- из строительного кирпича.

Остановимся подробнее на особенностях устройства и работы каждого

из видов.

Суперконденсатор из цемента, воды и сажи. Самыми потребляемыми

материалами в мире является вода и цемент, которые предлагается

легировать

относительно

низкой

концентрацией

неупорядоченной

микропористой

сажи

для

производства

высокопроизводительных

суперконденсаторов. Исследователи утверждают, что цементные композиты,

легированные углеродом, естественным образом сочетают в себе указанные

выше критические характеристики.

Исследуемый

материал

имеет

улучшенные

характеристики

электропроводности углеродоцементных композитов и их резистивного

нагревательного потенциала (эффект Джоуля), который связан с развитием

углеродной сетки. Для исследуемых суперконденсаторов перколированная

углеродная сеть, вероятно, является результатом конкуренции между

агрегацией частиц гидрофобной сажи и потребностью в воде в результате

реакций гидратации гидрофильного цемента (рис. 2).

12

Рис. 2. Развитие углеродной сетки

Ученые объясняют это следующим образом: гидратация безводного

клинкера растворяет оксид кальция, высвобождая ионы кальция для реакции

с водой с образованием различных продуктов гидратации цемента (1B).

В углеродно-цементных композитах агрегация ближнего действия

неполярной сажи происходит за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий,

поскольку ионная сила свободных ионов кальция снижается в результате

реакций гидратации в цементной среде с высоким pH. Ученые предполагают,

что эта дезагрегация частиц сажи приводит к образованию электронно-

проводящей сети, состоящей из сажи с высокой удельной поверхностью,

которую можно напрямую использовать для зарядки электродов.

Стоит

отметить,

что

одной

только

электронной

проводимости

недостаточно для развития возможностей накопления энергии, поскольку

суперконденсаторам также требуется резервуар или пористость между

частицами для диффузии ионов. Именно реакции гидратации, как считают

ученые, являются ключом к формированию пористости этого резервуара.

Эта гипотеза основана на характерной стехиометрии реакций

гидратации, которая ограничивает максимальное количество воды, которое

может быть химически связано в гидроксид кальция (CH) и гидраты

кремнезема кальция (C-S-H), и адсорбировано на поверхность наночастиц C-

S-H. Таким образом, превышение этого стехиометрического предела

содержания воды (обычно 42% по массе цемента) может привести к

образованию гидратной пористости микронного/субмикронного размера,

которая

может

служить

фундаментом

для

пористости

резервуара

насыщающего электролита, что позволяет создать высокопроизводительный

суперконденсатор.

Чтобы

проверить

данные

теории,

ученые

синтезировали

репрезентативный набор образцов электродов с различными пропорциями

смеси (вода, цемент, сажа), различными типами сажи с различной удельной

поверхностью и различной толщиной электродов.

13

Используя

подход,

основанный

на

корреляционной

EDS-Raman

спектроскопии, ученые визуализировали текстуру углеродной сетки в

электродах, а также содержание и интенсивность углерода из его спектров

комбинационного

рассеяния,

чтобы

выполнить

пространственный

корреляционный анализ. Далее анализ текстуры был объединен с циклами

CV (от cyclic voltammetry, т. е. циклическая вольтамперометрия) и GCD

(от galvanostatic charge-discharge, т. е. гальваностатический заряд-разряд),

чтобы получить емкостные свойства электродов и количественно определить

максимальное количество энергии, которое может храниться в электродах.

Анализируя выше изложенное можно сделать вывод, что для создания

суперконденсатора

ученые,

участвовавшие

в

новом

исследовании,

разработали

метод

получения

очень

высокой

площади

внутренней

поверхности, заключенной в небольшом объеме. Это стало возможным

благодаря

способности

воды

естественным

образом

образовывать

разветвленную сеть при контакте с цементом. По мере затвердевания смеси

сажа мигрирует по этой сети, образуя нитевидные структуры, похожие на

фракталы (ветви развиваются во все более мелкие отростки). Поскольку сажа

является гидрофобным материалом, по мере протекания реакций гидратации

цемента она самособирается в проводящую сеть. Из этого материала были

сформированы два электрода, разделенные тонким изолирующим слоем. Для

запуска электростатических реакций сборка погружалась в стандартную

электролитическую смесь на основе хлористого калия и если соединить их

определенным образом, то получится проводящий нанокомпозит. Устройство

легко воспроизводимо и имеет значительные преимущества по стоимости.

Более того, для формирования проводящей сети достаточно всего лишь 3%

сажи (по отношению к общему объему смеси).

Суперконденсатор из кирпичей. Поскольку количество солнечных

панелей и ветряных турбин активно растет по всему миру, возникает

серьезная

проблема

— как

дешево

сохранить

всю

избыточную

14

электроэнергию, произведенную, когда светит солнце или дует ветер, чтобы

ее можно было использовать в другое время. Потенциальные решения были

предложены во многих формах, включая массивные аккумуляторные

батареи, быстро вращающиеся маховики и подземные хранилища воздуха.

Теперь группа исследователей говорит, что классический строительный

материал — красный обожженный кирпич - может стать претендентом на

роль накопителя энергии.

Обычный кирпич пористый, как губка, а его красный цвет обусловлен

пигментацией, богатой оксидом железа. Обе особенности обеспечивают

идеальные условия для выращивания и размещения в нем проводящих

полимеров. На рисунке 3 показан процесс создания суперконденсатора из

обычного кирпича.

Свою статью, описывающую весь процесс специалисты химического

факультета Университета Вашингтона Хунминь Ван (Hongmin Wang), Хаожу

Ян (Haoru Yang), Кеннет Хрулски (Kenneth Chrulski) и Джулио д’Арси (Julio

D’Arcy), а также сотрудники Института материаловедения и инженерии

15

Рис. 3. Процесс создания суперконденсатора из обычного кирпича

Вашингтонского университета Ифань Дяо (Yifan Diao), Ян Лу (Yang Lu) и

Цинцзюнь

Чжоу

(Qingjun

Zhou)

опубликовали

в

журнале

Nature

Communications. Авторы идеи.

Исследователи в лаборатории изучили микроструктуру материала и

заполнили многочисленные поры кирпичей сначала парами соляной кислоты

для выделения трехвалентного железа, а затем парами EDOT (3,4-

этилендиокситиофена). После этого кирпичи отправились в печь, нагретую

до 160° по Цельсию. Оксид железа вызвал химическую реакцию, покрыв

полости кирпичей тонкими слоями PEDOT, полимера, известного как поли

(3,4-этилендиокситиофен)

и

обладающего

крайне

высокой

электропроводностью. В итоге из печи выходили кирпичи с черно-синим

оттенком, обладающие способностью проводить электричество.

Затем они прикрепили медные провода к двум кирпичам с пленками из

PEDOT. Чтобы предотвратить короткое замыкание между кирпичами, когда

они сложены вместе, исследователи разделили их тонким пластиковым

листом полипропилена. В качестве жидкого электролита использовался

раствор на основе серной кислоты, а кирпичи подключили через медные

провода к обычной ААА-батарейке примерно на одну минуту. После зарядки

кирпичи смогли запитать светодиод на 11 минут (рис. 4).

По словам ученых, если расширить эту систему до 50 кирпичей, то

16

Рис. 4. Работа суперконденсатора из обычного кирпича

такой суперконденсатор сможет питать светодиод с мощностью в 3 Вт в

течение примерно 50 минут. В таком виде установка может быть

перезаряжена порядка 10 000 раз и при этом сохранит около 90 процентов

своей

первоначальной

емкости.

Исследователи

продолжают

улучшать

используемый полимер, чтобы достичь 100 000 циклов перезарядки.

По

словам

исследователей

их

разработка

открывает

«новые

возможности для многих кирпичных стен и конструкций в мире». Солнечные

панели на крыше, соединенные проводами с кирпичами в стенах домов,

зарядят последние, которые, в свою очередь, могут обеспечивать внутреннее

резервное питание для аварийного освещения или других применений.

Новое устройство, описанное максимально далеко от проектов

хранения энергии мегаваттного уровня, реализуемых в таких местах, как

пустыни Калифорнии или сельская местность Китая, но исследования

показывают, как кирпичи могут хранить электрическую энергию, что дает

«пищу для размышлений» в секторе электроэнергетики.

§3. Перспективы применения суперконденсаторов из строительного

материала

Новые суперконденсаторы из строительного материала могут найти

свое применение с точки зрения хранения возобновляемой энергии.

Остановимся подробнее на вопросах применения каждого из них.

Суперконденсаторы из бетона и сажи

могут упростить и ускорить

процесс перехода к возобновляемой энергии. Для проверки эффективности

концепции

суперконденсатора

исследовательская

группа

разработала

несколько суперконденсаторов диаметром около одного сантиметра и

толщиной 1 миллиметр, способных накапливать энергию при напряжении

около 1 вольта. Три из них были использованы для питания светодиодов с

общим напряжением 3 вольта. По подсчетам ученых, бетонный блок,

17

изготовленный

по

их

технологии,

объемом 45 м

3

(куб

около

3.5

м

в

ширину)

достаточную

емкость

для

хранения около 10

кВт

⋅

ч энергии, что является среднестатистическим суточным потребление

электроэнергии домохозяйством. Другими словами, дом с фундаментом из

этого материала может хранить энергию, вырабатываемую солнечными

панелями или ветряками (рис. 5), и использовать ее в любое время. При этом

зарядка и разрядка суперконденсаторов происходит гораздо быстрее, чем у

батарей.

Эта

технология

может

способствовать

использованию

возобновляемых источников энергии, таких как солнце, ветер и приливы,

позволяя энергетическим сетям оставаться стабильными, несмотря на

колебания в поставках возобновляемой энергии. Исследователи считают, что

новый материал может стать альтернативой широко используемым, но

неэкологичным аккумуляторам, и обеспечить хранение электрической

энергии. Суперконденсатор может быть вмонтирован в бетонный фундамент

дома, где он сможет хранить энергию в течение целого дня, практически не

увеличивая стоимость фундамента и обеспечивая при этом необходимую

прочность конструкции, говорят исследователи.

Следует, однако, отметить, что существует компромисс между

емкостью накопителя и прочностью материала. При высоком содержании

сажи суперконденсатор может накапливать больше энергии, но при этом он

менее прочен, что не является идеальным вариантом для конструкций,

которые должны служить опорой для дорог или домов. Тем не менее, этот

18

Рис. 5. Дом с фундаментом работающим, как суперконденсатор

показатель (примерно 10% от общей массы) может быть применен в

конструкционной основе ветрогенераторов, легкость которых по сравнению с

другими инфраструктурами позволит обойтись без очень прочного бетона.

Более того, состав смеси может быть скорректирован для каждого

конкретного случая, например, в зависимости от необходимости быстрой

зарядки аккумуляторов.

Другой вариант применения связан с транспортом. Если использовать

данную разработку в строительстве дорог, то она может потенциально

обеспечивать энергией электрокары в процессе движения. В

частности, исследователи представляют себе бетонные автострады, которые

могут мгновенно заряжать проезжающие по ним электромобили, используя

технологию, аналогичную той, что используется в зарядных устройствах для

беспроводных телефонов.

Суперконденсаторы интересны тем, что, в отличие от аккумуляторов,

они могут за короткое время отдавать огромные количества энергии и быстро

перезаряжаться. Обратной стороной медали является то, что они хранят

относительно мало энергии на килограмм по сравнению с батареями. В

электромобилях суперконденсаторы позволяют быстро разогнаться, но

именно литий-ионные аккумуляторы обеспечивают питание на сотни

километров езды. Тем не менее, ученые надеются, что суперконденсаторы

смогут заменить обычные батареи во многих областях из-за крайне

негативных экологических последствий добычи редкоземельных металлов и

утилизации аккумуляторов.

Они планируют создать серию более крупных версий, начиная с таких,

которые

будут

размером

с

обычный

12-вольтовый

автомобильный

аккумулятор,

и

заканчивая

45-кубометровой

версией,

чтобы

продемонстрировать способность хранить энергию в доме.

Второй способ хранения и использования возобновляемой энергии

связан с красными кирпичами (рис. 6). Согласно исследованиям ученых, по

19

их схеме можно превращать

в суперконденсаторы стены

целых

домов,

чтобы

в

дальнейшем

использовать

хранящееся

в

них

электричество, к примеру,

для

питания

домашней

техники

в

случае

отключения света или для

работы аварийного освещения. Один кирпич с электричеством внутри

способен выдерживать 10 тыс. циклов заряда без ухудшения своих свойств.

По подсчетам изобретателей, после такого числа циклов он потерял в

пределах 10% от своей первоначальной емкости. Они утверждают лишь, что

кладки из 50 кирпичей будет достаточно для работы аварийного освещения в

течение пяти часов.

Ученые отметили, что превратить в суперконденсатор можно не только

новый кирпич, ни разу не использовавшийся в строительстве, но также и тот,

что уже является частью построенного дома. Таким образом, дома, из

красного кирпича, возведенные несколько лет назад, тоже способны

накапливать электричество в своих стенах.

В будущем кирпичи смогут заменить центральное энергоснабжение.

Суперконденсаторы способны хранить большие запасы энергии в небольшом

объеме. В них можно мгновенно «закачать» энергию, и извлечь ее из них

можно так же быстро. Срок эксплуатации суперконденсаторов практически

неограничен.

Авторы

идеи

предложили

несколько

вариантов

подзарядки

«аккумуляторных» кирпичей, в том числе и за счет возобновляемых

источников энергии. Это могут быть, к примеру, солнечные панели,

установленные на крыше дома.

20

Рис. 6. Работа красного кирпича, как

суперконденсатора

По утверждению ученых, «строительные» суперконденсаторы могут

работать даже под водой, что говорит о возможности их использования, к

примеру, когда идет дождь. Однако для этого необходимо нанести на

кирпичи дополнительное изолирующее покрытие – ученые предложили

использовать для этого обычную эпоксидную смолу.

Указанные выше технологии находятся на ранней стадии разработки и

требует значительного числа улучшений и тестов, но уже сейчас очевидно,

что данное творение может иметь колоссальное влияние на развитие зеленой

энергетики во всем мире.

21

Заключение

Любой

суперконденсатор

—

это

источник

не

постоянной,

а

импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним

сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах

короткого замыкания.

Но

при

этом,

в

отличие

от

аккумулятора,

это

источник

кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и

используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на

небольшой срок.

По утверждению ученых, «строительные» суперконденсаторы могут

работать даже под водой, что говорит о возможности их использования, к

примеру, когда идет дождь.

Сравнение характеристик суперконденсатора с аналогами на основе

традиционных материалов позволило выявить преимущества и недостатки

разработанных устройств. Оценка перспектив применения, разработанного

суперконденсатора в различных отраслях позволила увидеть широкий спектр

возможностей использования данного устройства.

Таким

образом,

разработка

суперконденсатора

из

строительных

материалов для аккумулирования возобновляемой энергии представляет

собой перспективное направление исследований, которое может найти

применение

в

различных

областях,

включая

строительство

и

железнодорожную

технику.

Полученные

результаты

могут

быть

использованы для создания более эффективных и экологически чистых

энергетических систем, что способствует развитию устойчивых технологий и

снижению негативного воздействия на окружающую среду.

22

В

результате

проведенного

исследования

мы

проанализировали

понятие «суперконденсатор», изучили его устройство и принцип работы;

рассмотрели

виды

и

особенности

работы

суперконденсаторов

из

строительного материала для аккумулирования возобновляемой энергии и

описали перспективы применения суперконденсаторов из строительного

материала.

Таким образом все задачи решены и цель исследования достигнута.

23

24