4 Versuchsaufgaben und Auswertung:
Laborübung elektrochemische Energiespeicher
(Superkondensator) Versuch 2
Thema:
Lade- und Entladeverhalten eines elektrochemischen Superkondensators
(Gold Gap).
Zielstellung
Das Lade- und Entladeverhalten eines Superkondensators soll untersucht werden.
Der Superkondensator hat unteranderm folgenden technischen Parametern:
Tabelle 1 technischen Parametern des Superkondensators
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Nennspannung |
5,5 V |
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Spitzenspannung (Max.) |
6,3 V |
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Kapazität |
1 F |
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Masse |
7,6 g |
|
Betriebstemperatur |
-25 bis +70 °C |
Um die Lade- und Entladeverläufe gut darstellen zu können, wurde das Gold Cap über einen Ohmschen Widerstand von R = 180 Ω auf- und entladen.
Somit beträgt die Zeitkonstante (τ)
τ =
R.*C = 180 V/A*1 As/V = 180 s bzw. 3 min
Nach 5τ ist das Gold Cap auf 99 % seiner Nennspannung aufgeladen bzw. entladen.
Nach ca. 15 min ist daher der Lade- und Entladevorgang unterbrochen worden.
Abb. 1 Schaltung zum Laden und Entladen eines Gold Caps
4.1 Die Kurven U = f(t) und P = f(t) für Ladung und Entladung sind in je einem
Diagramm grafisch darzustellen!
4.1.1 Spannungskennlinie des Gold Caps
Abb. 2 Lade- und Entladespannung des Gold Caps
Die Ladespannung des Superkondensators beträgt 5 V und er hat eine Spitzenspannung von 5,3 V erreicht.
Die Entladespannung des Kondensators geht nach ca. 15 min asymptotisch gegen
Null.
4.1.2 Leistungskennlinie des Gold Caps
Abb. 3 Lade- und Entladeleistung des Gold Caps
4.2 Berechnen Sie die spez. Speicherdichte!
4.3 Berechnen Sie energetischen Wirkungsgrad des Gold Caps!
Tabelle 2 Speicherdichte und energetischen Wirkungsgrad des Gold Caps
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Ladeenergie [WLade] = Ws |
Entladenergie [WEntlade] = Ws |
Energetischen Wirkungsgrad in % |
Masse in g |
Spez. Speicherdichte In Wh/kg |
|
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WEntlade/WLade |
|
WEntlade/Masse |
|
17,54 |
10,56 |
60,21% |
7,6 |
5,00 |
Bemerkung:
Die Lade- und Entladeenergien sind aus der Fläche der Leistungskennlinie bestimmt worden. Die Fläche wurde mit einem Planimeter vermessen und dann in Energie umgerechnet
(6,3 cm2 ≈ 5 Ws).
4.4 Vergleichen Sie das Gold Cap mit chemoelektrischen Speichern.
Tabelle 3 spez. Speicherdichten von chemoelektrischen Speichern
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Chemoelektrischen
Speichern |
Spez. Energiedichte bzw. Speicherdichte Massenbezogen in Wh/kg Literatur Messwerte |
Spez. Energiedichte bzw. Speicherdichte Volumenbezogen in Wh/l Literatur |
Leistungsdichte in W/kg Literatur |
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Gold Cap |
1-15 |
5 |
2-30 |
6000-20000 |
|
Bleiakkumulator |
30-45 |
15 |
100 |
150-300 |
|
Nickel-Cadmium-Akkumulator |
45-50 |
|
130 |
400-500 |
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Zink-Brom-Akkumulator |
70 |
|
100-120 |
50-120 |
Die spez. Energiedichte des Gold Caps ist nicht besonderes groß. Verglichen mit den anderen chemoelektrischen Speichern, ist sie sehr klein. Die Leistungsdicht des Superkondensators ist jedoch sehr hoch.
Auf Grund seiner Leistungsdichte kann der Superkondensator sehr schnell el. Energie aufnehmen und zur Verfügung stellen.
Beispielsweise wird er zur Speicherung der Bremsenergie beim Auto und zur Netzstabilisierung angewendet.
Die spez. Speicherdichte des Bleiakkumulators ist zwar etwas niedriger z. B. verglichen mit Nickel-Cadmium und Zink-Brom Akkumulatoren, aber der Bleiakkumulator ist heute am weitesten verbreitet und preiswert.
4 Versuchsaufgaben und Auswertung
Laborübung chemoelektrische Energiespeicher
(Bleiakkumulator) Versuch 1
Thema:
Lade- und Entladeverhalten eines chemoelektrischen Energiespeichers (Bleiakkumulator).
Zielsstellung
Lade-Entladeverhalten eines Bleiakkumulators soll untersucht werde.
Der Bleiakkumulator wird in regenerativen Energiesysteme z.B. in PV-Anlagen als Pufferspeicher verwendet. Weiterhin dominiert der Bleiakkumulator als Starterbatterie und in Notstromanlagen.
Tabelle 4 Daten des Blei-Gel Akkumulators
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Nennspannung |
12 V |
|
Ladeschlussspannung pro Zelle |
2,35 V bis 2,45 V |
|
Entladeschlussspannung pro Zelle |
1,8 V |
|
Zellen |
6 |
|
Kapazität |
6,6 Ah |
|
Masse |
2563 g |
4.1 Der Bleiakkumulator soll bis zur Entladeschlussspannung entladen werden.
Die Spannung und der Strom in Abhängigkeit der Zeit werden mit einer automatischen Messwerterfassung ermittelt.
4.2 Stellen Sie die Kennlinie U = f(t) für den Lade- und Entladevorgang grafisch dar!
4.3
Stellen Sie die Kennlinie P =f(t) für den Lade- und Entladevorgang in einem
Diagramm grafisch dar!
Abb. 3 Lade- und Entladevorgang Bleiakkumulator
Die Lade- und Entladeschlussspannungen des untersuchten Blei-Gel Akkumulators dürfen nicht überschritten bzw. unterschritten werden, um eine optimale Lebensdauer erzielen zu können. Die Ladeschlussspannung beträgt 14,10-14,7 V. Daher wurde sie bei der Messwertermittlung auf ULadesch. = 14,4 begrenzt. Die Entladeschlussspannung
UEntladesch. = 10,8 V ist ebenfalls nicht unterschritten worden.
Abb. 4 Lade- und
Entladeleistung Bleiakkumulator
Die Verläufe der Lade- und Entladeleistungen sind in der Abbildung 4 deutlich zu erkennen. Der Akkumulator war vor dem Versuchsstart aufgeladen. Die Entladeschlussspannung wurde in ca.2,2 h erreicht.
4.4 Berechnen Sie den energetischen Wirkungsgrad!
4.5 Bestimmen Sie die Speicherdichte!
4.6 Vergleichen Sie den untersuchten Akkumulator mit anderen Akkumulator-Typen!
Nennen Sie Vor- und Nachteile sowie weitere Einsatzgebiete!
Tabelle 5 Speicherdichte und energetischen Wirkungsgrad des Bleiakkumulators
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Ladeenergie [WLade] = Wh |
Entladenergie [WEntlade] = Wh |
Energetischen Wirkungsgrad in % |
Masse in Kg |
Spez. Speicherdichte in Wh/kg |
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WEntlade/WLade |
|
WEntlade/Masse |
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39,94 |
39,56 |
99,05% |
2,563 |
15,44 |
Einen energetischen Wirkungsgrad von 99,05% ist nicht erwartet worden. Die Literatur gibt einen energetischen Wirkungsgrad für Bleiakkumulatoren von ca. 70-85%[1] an.
Die spez. Speicherdichte ist dagegen kleiner als den erwarteten Wert von
ca. 30-45
Wh/Kg[2].
Die Gründe können sehr vielfältig sein. Möglicherweise hat der Akkumulator seiner Lebensdauer überschritten. Vielleicht sind die Lade- und Entladeschlussspannungen öfter überschritten bzw. unterschritten worden oder Messwerterfassungsproblem.
Zusammenfassung
Der Superkondensator kann sehr schnell Energie auf- bzw. abgeben. Wenn die Energie über längere Zeit abgegeben werden soll, lässt sie sich über einen Vorwiderstand beeinflussen.
Die spez. Speicherdichte vom Superkondensator ist nicht sehr hoch verglichen mit anderen chemoelektrischen Energiespeicher, aber die Leistungsdichte ist sehr groß.
In der Tabelle 3 sind spez. Speicherdichten von mehrere Akkumulatoren übersichtlich dargestellt.
Die spez. Speicherdichte des Bleiakkumulators ist zwar etwas niedriger verglichen mit Nickel-Cadmium und Zink-Brom Akkumulatoren, aber der Bleiakkumulator ist heute am weitesten verbreitete Sekundärbatterie und er ist preiswerter als die anderen Akkumulatoren.
Über einen Laderegler sollten die Lade- und Entladeschlussspannungen überwacht werden, damit die optimale Lebensdauer ausgeschöpft werden kann. Außerdem hängt die Lebensdauer von der Temperatur und Zyklenzahl ab.