Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням

Modern continuous lighting systems use powerful high-performance LEDs as light sources and an important task is to begin using alternative renewable energy sources for their power supply (including during the day). The simplest of the renewable energy sources is photovoltaic solar energy converter....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2021
Hauptverfasser: Pekur, Demyd, Kolomzarov, Yuriy, Kostylyov, Vitaliy, Sorokin, Viktor, Kornaga, Vasyl, Korkishko, Roman, Nikolaenko, Yurii
Format: Artikel
Sprache:Ukrainisch
Veröffentlicht: PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021
Schlagworte:
Online Zugang:https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.03
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Technology and design in electronic equipment
Завантажити файл: Pdf

Institution

Technology and design in electronic equipment
_version_ 1869653451962580992
author Pekur, Demyd
Kolomzarov, Yuriy
Kostylyov, Vitaliy
Sorokin, Viktor
Kornaga, Vasyl
Korkishko, Roman
Nikolaenko, Yurii
author_facet Pekur, Demyd
Kolomzarov, Yuriy
Kostylyov, Vitaliy
Sorokin, Viktor
Kornaga, Vasyl
Korkishko, Roman
Nikolaenko, Yurii
author_institution_txt_mv [ { "author": "Demyd Pekur", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Yuriy Kolomzarov", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Vitaliy Kostylyov", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Viktor Sorokin", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Vasyl Kornaga", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Roman Korkishko", "institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Yurii Nikolaenko", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" } ]
author_sort Pekur, Demyd
baseUrl_str https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai
collection OJS
datestamp_date 2026-07-02T12:37:34Z
description Modern continuous lighting systems use powerful high-performance LEDs as light sources and an important task is to begin using alternative renewable energy sources for their power supply (including during the day). The simplest of the renewable energy sources is photovoltaic solar energy converter. However, solar photovoltaic generation depends significantly on many factors — geographical location, time of day, state of the atmosphere, time of year and the like. In addition, photovoltaic generation depends on the weather conditions and cloudiness, which makes it unstable and prone to change drastically (by an order of magnitude) during daylight hours. Therefore, an important element of the power system based on renewable energy sources is the system of accumulation of generated energy. The method of power stabilization using supercapacitors for systems with a significant change in power generation in the electrical power system is analyzed. The paper offers design principles of the power supply systems for powerful LEDs with supercapacitor energy storage devices intended to make the use of energy from sources with variable generation more efficient. The systems with supercapacitor-based drives, which allow to ensure stable operation of the lighting system when the power supply from an alternative source is absent or reduced, provide high safety and reliability, and have a significantly longer service life than battery-based energy storage systems.
doi_str_mv 10.15222/TKEA2021.1-2.03
first_indexed 2025-09-24T17:30:22Z
format Article
fulltext Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–2 3ISSN 2309-9992 (Online) 1 НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ УДК 628.931 Ph.D. Д. В. ПЕКУР1, к. т. н. Ю. В. КОЛОМЗАРОВ1, д. ф.-м. н. В. П. КОСТИЛЬОВ1, д. т. н. В. М. СОРОКІН1, к. т. н. В. І. КОРНАГА1, к. т. н. Р. М. КОРКІШКО1, д. т. н. Ю. Є. НІКОЛАЄНКО2 Україна, м. Київ, 1Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України; 2КПІ ім. Ігоря Сікорського E-mail: demid.pekur@gmail.com СУПЕРКОНДЕНСАТОРНІ ЕНЕРГОНАКОПИЧУВАЧІ ДЛЯ ОСВІТЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ З КОМБІНОВАНИМ ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯМ В останні роки з метою зменшення енерго- споживання на освітлення все частіше використо- вуються світлодіодні освітлювальні прилади [1]. Електроживлення енергоефективних світлодіодних джерел світла від комбінованих систем з використан- ням сонячних батарей дозволяє досягти подальшого заощадження споживаної електричної енергії від цен- тралізованої електромережі [2—4]. Особливістю ро- боти освітлювальних систем неперервного освітлен- ня з комбінованим електроживленням [5], де соняч- ні батареї використовуються як додаткове джерело живлення, є значний вплив рівня освітлено сті фото- електричних перетворювачів на сонячну генерацію, яка суттєво залежить від пори року та часу доби. Це викликає необхідність розробки електрон них схем керування, здатних забезпечити максимальне викори- стання генерованої енергії для живлення таких освіт- лювальних систем. Зазвичай такі системи мають у своєму складі акумуляторні батареї, які дозволяють накопичувати енергію під час сприятливих для фото- генерації умов та використовувати її у потрібний час. Сьогодні широко застосовуються свинцево-кислотні, натрій-сірчані, літій-іонні та нікель-кадмієві акумуля- торні батареї [6, 7]. При цьому їхня вартість може ста- новити майже половину вартості всього устаткуван- ня, а терміни їхньої безвідмовної експлуатації зале- жать від кількості та характеру циклів заряду-розряду в процесі роботи. Низька надійність акумуляторів знижує термін експлуатації такої системи, а їхнє ви- робництво та утилізація є шкідливими процесами з точки зору екології. Запропоновано принципи побудови систем живлення потужних світлодіодних джерел світла з суперконден- саторними накопичувачами енергії для підвищення ефективності використання енергії від джерел зі змінною генерацією у вигляді сонячних батарей. Системи з накопичувачами на основі суперконденсаторів, що дозволя- ють забезпечити стабільну роботу освітлювальної системи в періоди відсутності енергії чи зниження її над- ходження від альтернативного джерела, забезпечують високу безпечність і надійність роботи, а також ма- ють значно вищий термін експлуатації у порівнянні з системами зберігання енергії на основі акумуляторів. Ключові слова: системи освітлення, суперконденсатори, накопичувачі енергії, фотоперетворювачі сонячної енергії. Серед пристроїв накопичення енергії, що пропо- нуються сьогодні для використання в системах з по- требою у періодичному накопиченні, особливий ін- терес представляють електрохімічні конденсатори або суперконденсатори (іоністори) [2, 8]. Завдяки сво- їй високій надійності та можливості забезпечувати високі значення струму розряду та заряду суперкон- денсатори широко використовуються в си стемах ре- куперації енергії сучасних транспортирних засобів, де вони відіграють роль накопичувачів енергії [9], та в джерелах живлення технологічного обладнання [10]. Суперконденсатори невеликої ємності широко використовуються у пристроях зберігання інформа- ції [11] як резервні джерела живлення, а також у ве- ликій кількості іншої електроніки, для якої раптове зникнення живлення може спричинити суттєві склад- нощі [12]. На відміну від акумуляторів вони дозволя- ють накопичувати та вивільняти високі імпульсні зна- чення енергії без суттєвого зниження своїх характе- ристик, що дозволяє використовувати їх, наприклад, в автономних пристроях зварювання [13]. У систе- мах з відновлюваними джерелами енергії акумуля- торні батареї додатково оснащують суперконденса- торами для підвищення їхнього ресурсу [14, 15]. Це дозволяє підвищити надійність роботи таких си стем завдяки згладжуванню значних коливань генерова- ної потужності. Суперконденсатори за своєю надійністю та еко- логічністю демонструють значну перевагу над си- стемами енергонакопичення на основі акумуляторів будь-якого типу, а за можливостями швидкого нако- пичення та віддачі енергії набагато перевершують їх. До недоліків суперконденсаторів слід віднести від- носно низьку густину енергії, яку вони здатні нако- DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.03 ____________ Автори висловлюють подяку Національному фон- ду досліджень України за підтримку роботи (проєкт № 2020.01/0216) Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–24 ISSN 2309-9992 (Online) 2 НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ пичити, та високі, у порівняні з акумуляторами, зна- чення струму саморозряду [16]. Сучасні промислові суперконденсатори допу- скають від 100 до 500 тис. циклів заряду-розряду без зниження характеристик при розряджанні до рівня 30—50% від максимальної напруги [17, 18]. Метою цієї статті є обґрунтування можливості використання суперконденсаторів у світлодіодних освітлювальних системах з комбінованим електро- живленням, в яких поєднується генерація від соняч- ної батареї з мережевим живленням і передбачено ви- користання сонячної енергії з мінімально можливи- ми втратами, та вибір оптимальних значень ємності суперконденсаторних енергонакопичувачів залежно від інших параметрів таких систем. Особливості функціонування суперконденсаторів За своєю структурою суперконденсатор поєднує принцип роботи конденсатора та хімічного акуму- лятора, у якому заряджені електроди занурені в роз- чини електролітів. Ця ідея була запропонована ні- мецьким фізиком Германом фон Гельмгольцем ще у 1853 р. [19], але складність промислової реаліза- ції приладів на основі цієї концепції дозволила поча- ти її викори стання лише сто років потому, у 1957 р., Х. Е. Беккером під час його роботи в компанії General Electric [20]. При цьому широке використання супер- конденсаторів стримувалося їхньою високою варті- стю та відносно невеликою густиною накопичуваної енергії. Обидва ці недоліки були частково усунені зо- всім нещодавно [21—23]. Враховуючи значну потре- бу промисловості в системах енергонакопичення на основі суперконденсаторів, впродовж останніх деся- тиліть було докладено величезних зусиль для покра- щення їхніх експлуатаційних характеристик. Суттєве вдосконалення технологій виготовлення, застосуван- ня нових матеріалів та структур для побудови елек- тродів дозволило скоротити довжину шляху дифу- зії іонів та збільшити міжфазні площі, що підвищи- ло надійність суперконденсаторів та їхню ємність. Структура суперконденсатора є подібною до структури конденсатора і передбачає використання обкладинок, розділених між собою шаром електролі- ту. Проте, на відміну від конденсатора, для виготов- лення суперконденсаторів зазвичай використовуєть- ся не фольга, а струмопровідні полімери, оксиди ме- талів і навіть активоване вугілля. Під час проходжен- ня струму через суперконденсатор на поверхні елек- тродів накопичується заряд, а процес заряду-розряду відбувається безпосередньо в шарі іонів на поверх- нях електродів. Через те що іони, які виникли в елек- троліті, мають певний розмір, який заважає їм набли- зитися до поверхні електроду, утворюється плоский конденсатор, відстань між обкладинками якого до- рівнює розміру іону. Це зумовлює виникнення елек- тричного поля напруженістю у мільйони вольтів на метр за різниці потенціалів між обкладинками лише в одиниці вольтів. На відміну від звичайних акумуля- торних батарей, в суперконденсаторі не відбувають- ся оборотні та необоротні хімічні реакції, тому він є більш безпечним та надійнішим у користуванні [16]. Сучасні суперконденсатори дозволяють забез- печити густину потужності до 30 Вт·год/л, що зна- чно нижче у порівняні з хімічними акумуляторни- ми батареями, наприклад для літієвих акумуляторів ці значення становлять приблизно 500 Вт·год/л [24]. Окрім цього суттєвим недоліком суперконденсаторів є чутливість до напруги, яка значно перевищує екс- плуатаційну. До переваг сучасних суперконденсато- рів можна віднести низький внутрішній опір, що до- зволяє створювати на їхній основі прилади з висо- ким імпульсним струмом, високий ККД (співвідно- шення втрат у циклі заряду-розряду можуть склада- ти до 5%), а також невеликі масогабаритні розміри. Робота суперконденсаторів в освітлювальних системах з сонячними батареями Енергію Е, накопичену в суперконденсаторі, мож- на розрахувати як E = 0,5CU2, (1) де С — ємність; U — напруга на електродах. Враховуючи, що розряджати суперконденсатори бажано до значень не нижче 30% максимальної енер- гетичної ємності, а значення напруги лінійно змен- шується із зменшенням заряду, необхідно визначити час, за якого напруга на суперконденсаторі при під- ключенні до нього деякого навантаження потужні стю Р зменшиться від максимальної Umax до обраного мі- німального значення Umin: t = 0,5(U 2max – U 2min)·C/P. (2) Максимальна робоча напруга сучасних суперкон- денсаторів зазвичай складає 2,7—5,5 В, але отрима- ти вищі значення можна, використовуючи послідов- не включення суперконденсаторів. У такому випад- ку отримана робоча напруга дорівнюватиме сумі на- пруг на кожному з суперконденсаторів. Враховуючи особливості функціонування освіт- лювальних систем, в яких використовуються соняч- ні батареї, для часткового заміщення їхнього живлен- ня від загальної мережі ємність суперконденсаторів має бути достатньою для надійної роботи системи під час живлення від них. При цьому система енергона- копичення має бути розрахована на функціонування впродовж не менше 10 років. Напругу на накопичу- вачах енергії необхідно обирати з урахуванням елек- тронних схем живлення світлодіодів, щоб забезпечи- ти мінімальні втрати на її перетворення. Для прикладу розрахунку потрібної ємності су- перконденсаторів розглянемо освітлювальну систе- Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–2 5ISSN 2309-9992 (Online) 3 НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ му з номінальною потужністю світлодіодних джерел світла 250 Вт та напругою живлення світлодіодів 36 В [25]. Для уникнення значних коливань рівня напруги в такій системі доцільно використовувати накопичу- вач енергії, електронна схема якого складається з 24 суперконденсаторів з максимальним значенням на- пруги 2,7 В кожного. При послідовному з’єднані вони створюють максимальну робочу напругу 64,8 В, а кін- цеве значення мінімально допустимої напруги на кле- мах суперконденсаторного енергонакопичувача скла- датиме 19,4 В (30% від 64,8 В, що відповідає напрузі на кожному з суперконденсаторів 0,81 В). У таблиці наведено значення енергії, яка нако- пичена у пристрої, побудованому з промислових су- перконденсаторів стандартної ємності, та час робо- ти освітлювальної системи потужністю 250 Вт за умови живлення лише від цього енергонакопичувача. Ємність суперконден- саторів, з яких складається енергонакопи- чувач, Ф Накопичена енергія, Дж Час роботи освітлювальної си- стеми потужністю 250 Вт від накопичувача енергії, с 25 1991,0 8,0 50 3982,0 15,9 100 7963,9 31,9 150 11945,9 47,8 300 23891,8 95,6 500 39819,6 159,3 Для сонячної генерації різниця генерованої енер- гії у найбільш та найменш сприятливі дні може від- різнятися навіть протягом місяця у 8 разів (рис. 1), а протягом року ця різниця може сягати майже 30 разів. Враховуючи це, критерієм вибору оптимальної єм- ності суперконденсаторів може бути середньомісяч- на генерація для місяців з найнижчими її значеннями. Для розглянутого освітлювального приладу по- тужністю 250 Вт з альтернативним джерелом жив- лення у вигляді сонячних батарей їхня номіналь- на (паспортна) вихідна потужність має складати щонайменше 300 Вт, оскільки залежно від погод- них умов при експлуатації фотоелектричних соняч- них батарей (температура повітря, рівень освітле- ності, нагрівання при великих рівнях освітленості, хмарність, вітер) їхня вихідна потужність зменшу- ється на величину до 15% від номінального значен- ня (вимірюється у стандартизованих умовах: спектр АМ1,5; температура 25°С; енергетична освітленість 1000 Вт/м2), тобто до близько 250 Вт у випадку спри- ятливих умов для генерації (ясне небо). Це відпові- датиме зниженню потужності генерації у випадку несприятливих умов (листопад — квітень) до 50 Вт і менше. В ці місяці суперконденсаторний накопичу- вач буде працювати впродовж усього світлового дня в режимі заряду-розряду, що відповідає 8—10 годи- нам за добу. Таку ж кількість часу він працюватиме у найсприятливіші місяці (травень — листопад) при Рис. 1. Річна залежність інсоляції по місяцях для Києва у 2018—2020 роках [26] 2018 рік Ін со ля ці я, к В т· го д/ (д м2 · де нь ) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 День року 2019 рік Ін со ля ці я, к В т· го д/ (д м2 · де нь ) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 День року 2020 рік Ін со ля ці я, к В т· го д/ (д м2 · де нь ) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 День року Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–26 ISSN 2309-9992 (Online) 4 НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ низьких рівнях генерації (вранці та увечері). Таким чином, робота системи у режимі, в якому відбуваєть- ся заряд-розряд суперконденсаторів, може станови- ти принаймні 3000 годин роботи на рік при їх заря- дженні від сонячних батарей, що генерують потуж- ності від 1 до 250 Вт. Функціонування системи енергонакопичення при потужностях генерації менш ніж 1 Вт є нераціональ- ним з точки зору необхідності живлення електрон- них компонентів перетворювачів. За такої генера- ції си стема енергонакопичення перебуватиме у ста- ні очікування, а у випадку генерації з потужностя- ми понад 250 Вт генерована енергія буде безпосе- редньо використовуватися для роботи світлодіодів. Тривалість одного циклу, за якої суперконденсатор- ний енергонакопичувач буде повністю заряджено та розряджено до обраного рівня напруги, склада- тиметься безпосередньо з часу зарядження та роз- рядження суперконденсаторів. При цьому під час розрядки буде продовжуватися зарядка енергонако- пичувача від енергії, генерованої сонячною батаре- єю. Таким чином, час одного циклу заряду-розряду може виражатися залежністю t = E/Pg + E/(Pled – Pg), (3) де Е — енергія, що накопичена у суперконденсаторах; Pled — потужність світлодіодного джерела світла; Pg — миттєве значення потужності, що генерується со- нячними батареями. Враховуючи ресурс у 500 тис. циклів заряду- розряду, а також дані щодо енергетичної ємності батареї суперконденсаторів, наведені у таблиці, та взявши до уваги, що функціонування освітлюваль- ної системи в такому режимі буде відбуватися впро- довж принаймні 3000 годин на рік, можна визначи- ти час, за якого буде вичерпано ресурс промислових суперконденсаторів при постійному значенні потуж- ності, генерованої сонячними батареями. Результати розрахунку терміну, коли буде вичер- пано ресурс роботи енергонакопичувача, залежно від потужності генерації для випадків використан- ня в ньому суперконденсаторів різної ємно сті на- ведено на рис. 2. Враховуючи електрохімічні про- цеси, що відбуваються в сучасних промислових суперконденсаторах, виробники зазвичай вказу- ють прогнозовані терміни їхньої служби приблизно 10 років, і це є ще одним критерієм для вибору єм- ності суперконденсаторів. Залежності, наведені на рис. 2, вказують на те, що найменший термін експлуатації суперконденсаторів спостерігається, коли потужність генерації вибраної сонячної батареї складає близько 50% (125 Вт) від спо- живаної (250 Вт), а великі терміни — за низьких та високих рівнях генерації. Такий характер залежності викликаний тим, що за низьких значень потужності генерації час накопичення енергії суттєво перевищує час віддавання накопиченої енергії, і він є визначаль- ним для розрахунку кількості циклів заряду-розряду. При потужності генерації, що дорівнює енергії спо- живання джерела світла, час накопичення енергії до- рівнює часу віддачі енергії. Коли потужність генера- ції перевищує потужність споживання, розряджен- ня взагалі не відбувається, а світлодіодне джерело світла живиться безпосередньо від сонячної батареї. В обох випадках кількість циклів заряду-розряду сут- тєво знижується. З рис. 2 видно, що при обранні строку експлуата- ції понад 10 років найменше значення електричної ємності для створення енергонакопичувача складає 150 Ф. У такому випадку за потужності генерації 10—75 Вт та вище 175 Вт термін експлуатації зна- чно перевищує 10 років, а за потужності генерації у діапазоні 75—175 Вт строк служби складає не мен- ше 9 років. Очевидно, що подальший розвиток технології ви- готовлення суперконденсаторів та підвищення на- дійності їхньої роботи дозволить зменшити ємність суперконденсаторів без зниження надійності систе- ми в цілому. Висновки Проведений аналіз показав, що при виборі ємно- сті суперконденсаторів для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням, в яких поєднуєть- ся генерація від сонячної батареї з мережевим жив- ленням, потрібно враховувати потужності як спожи- вання, так і генерації енергії. У випадку використан- ня сонячних батарей з номінальною потужністю гене- рації 300 Вт та світлодіодного джерела світла потуж- ністю 250 Вт для забезпечення високої надійно сті та встановленого терміну експлуатації системи доціль- Рис. 2. Залежність терміну, за який буде вичерпано ре- сурс енергонакопичувача, від рівня сонячної генерації для випадків використання в ньому суперконденсаторів різної ємності (у Ф): 1 — 25; 2 — 50; 3 — 100; 4 — 150; 5 — 300; 6 — 500 1Те рм ін е кс пл уа та ці ї, ро ки 40 35 30 25 20 15 10 5 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Потужність генерації, Вт 6 5 4 3 2 Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–2 7ISSN 2309-9992 (Online) 5 НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ но використовувати 24 послідовно з’єднаних супер- конденсатора ємністю 150 Ф кожний. Запропоновану методику визначення оптималь- ної ємності суперконденсаторів можна використову- вати для визначення термінів їхньої експлуатації за будь-яких значень потужностей генерування та спо- живання енергії. Напрямом подальших досліджень є розроблен- ня, виготовлення та дослідження експерименталь- ного зразка освітлювальної системи з комбінованим електроживленням, в якій буде використано накопи- чувач енергії на основі суперконденсаторів. Це до- зволить експериментально визначити параметри та- кої системи освітлення та її коефіцієнт корисної дії. ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА 1. Пекур Д.В., Сорокін В.М., Ніколаєнко Ю.Є. Експери- ментальне дослідження компактної системи охолодження з те- пловими трубами для потужної світлодіодної матриці. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 3–4, c. 35–41. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2020.3-4.35 2. Borkowski, P., Pawłowski M. Zasilanie energooszczędnych źródeł światła poprzez systemy zasobnikowe. Przeglad Elektro- techniczny, 2013, vol. 89, № 1A, pp. 21–24. 3. Mamen А., Supatti U. A survey of hybrid energy storage systems applied for intermittent renewable energy systems. In Proc. of 2017 14th International Conference on electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 2017, pp. 729–732. https://doi.org/10.1109/ ECTICon.2017.809634 4. Nikolaenko Yu.E. Kravets V.Yu., Naumova A.N., Baranyuk A.V. Development of the ways to increase the lighting energy efficiency of living space. International Journal of Energy for a Clean Environment, 2017, vol. 18, iss. 3, pp. 275–285. https://doi. org/10.1615/InterJEnerCleanEnv.2018021641 5. Коломзаров Ю.В., Костильов В.П., Сорокін В.М та ін. Екологічні проблеми освітлення та перспективи застосуван- ня енергоощадних світлодіодних освітлювальних систем з ком- бінованим електроживленням. Технология и конструирова- ние в электронной аппаратуре, 2020, № 5–6, c. 3–9. https://doi. org/10.15222/TKEA2020.5-6.03 6. Кулова Т.Л., Николаев И.И., Фатеев В.Н., Алиев А.Ш. Современные электрохимические системы аккумулирования энергии. Kimya Problemlеri, 2018, № 1, c. 9–34. 7. Barton J.P., Infield D.G. Energy storage and its use with intermittent renewable energy. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004, vol. 19, № 2, pp. 441–448. https://doi.org/10.1109/ TEC.2003.822305 8. Marlinda A.R., Zaman Zaira Chowdhury, Yasmin Binti Abdul Wahab et al. Chapter two — Fundamental electrochemical energy storage systems Suresh Sagadevan. Advances in Supercapacitor and Supercapattery, 2021, pp. 27–43. https://doi.org/10.1016/B978-0-12- 819897-1.00001-X 9. Krishnamoorthy K., Pazhamalai P., Mariappan V.K et al. Two-Dimensional Siloxene-Graphene Heterostructure-Based High- Performance Supercapacitor for Capturing Regenerative Braking Energy in Electric Vehicles. Adv. Funct. Mater, 2020, Art. no. 2008422. https://doi.org/10.1002/adfm.202008422 10. Kozhushko Yu., Pavković D., Karbivska T., Safronov P., Bondarenko O. Robust Control of Battery-Supercapacitor Energy Storage System Using Kharitonov Theorem. In Proc. of 2020 IEEE 14th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering, CPE-POWERENG 2020, 2020, pp. 550–555. https://doi.org/10.1109/CPE-POWERENG48600.2020.9161569 11. Mars P. Supercapacitors for SSD backup power. Electron. Products, 2009, vol. 51, № 10, pp. 40–41. 12. Miller J. R. Engineering electrochemical capacitor applications. Journal of Power Sources, 2016, vol. 326, pp. 726–735. https://doi. org/10.1016/j.jpowsour.2016.04.020 13. Kozhushko Y., Pavkovic D., Zinchenko D. et al. Hybrid Energy Storage System of Power Supply for Micro Resistance Welding. 2019 IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Ukraine, Kyiv, 2019, pp. 584–589. https://doi.org/10.1109/ELNANO.2019.8783890 14. Arkhangelski J., Roncero-Sánchez P., Abdou-Tankari M. et al. Control and Restrictions of a Hybrid Renewable Energy System Connected to the Grid: A Battery and Supercapacitor Storage Case. Energies, 2019, vol. 12, iss. 14, art. no. 2776. https://doi.org/10.3390/ en12142776 15. Tao Ma, Hongxing Yang, Lin Lu. Development of hybrid battery–supercapacitor energy storage for remote area renewable energy systems. Applied Energy, 2015, vol. 153, pp. 56–62. https:// doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.12.008 16. Кашкаров А. Ионистор в автономной электрической цепи. Современная электроника, 2014, № 1, c. 38–40. 17. Mouser Electronics. 2.7V 1F, 100F, 150F ULTRACAPACITOR CELL,. https://www.mouser.mx/datasheet/2/257/2_7_1_100_150F_ ds_3001957_datasheet-1518704.pdf (28 December 2020). 18. Mouser Electronics. 3.0V 50F ULTRACAPACITOR CELL,. https://www.mouser.com/datasheet/2/257/3V_50F_ datasheet-1535527.pdf (28 December 2020). 19. Helmholtz H.V. Ueber einige Gesetze der Vertheilung elektrischer Ströme in körperlichen Leitern mit Anwendung auf die thierisch‐elektrischen Versuche. Ann. Phys. (Leipzig), 1853, vol. 165, iss. 6, pp. 211–233. https://doi.org/10.1002/andp.18531650603 20. Becker H.I. General electric. Low voltage electrolytic capactor. Pat. USA, no. 2800616, 1957. 21. Xing T., Ouyang Y., Zheng L. et al. Free-standing ternary metallic sulphides/Ni/C-nanofiber anodes for high-performance lithium-ion capacitors. Energy Chem, 2020, vol. 42, pp. 108–115. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.06.002 22. An Y., Chen S., Zou M. et al. Improving anode performances of lithium-ion capacitors employing carbon–Si composites. Rare Met., 2019. vol. 38. pp. 1113–1123. https://doi.org/10.1007/s12598- 019-01328-w 23. Chen Y., Qiu X., Fan L. Z. Nitrogen-rich hierarchically porous carbon foams as high-performance electrodes for lithium-based dual- ion capacitor. J. Energy Chem., 2020, vol. 48, pp. 187–194. https:// doi.org/10.1016/j.jechem.2020.01.024 24. Zhao J., Burke A. Review on supercapacitors: Technologies and performance evaluation. Journal of Energy Chemistry, 2021, vol. 59, pp. 276–291. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.11.013 25. Cree Inc. XLamp CMU Family LEDs,. https://www.cree.com/ led-components/products/xlamp-cob-integrated-arrays/cmu-leds (28 December 2020). 26. NASA. NASA POWER Data Access Viewer. https://power.larc. nasa.gov/data-access-viewer/ (28 December 2020). Дата надходження рукопису до редакції 12.02 2021 р. Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–28 ISSN 2309-9992 (Online) 6 НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ D. V. PEKUR1, Yu. V. KOLOMZAROV1, V. P. KOSTILOV1, V. M. SOROKIN1, V. I. KORNAGA1, R. M. KORKISHKO1, Yu. E. NIKOLAENKO2 Ukraine, Kyiv, 1V. E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine, 2National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” E-mail: demid.pekur@gmail.com SUPERCAPACITOR ENERGY STORAGE SYSTEMS FOR LIGHTING SYSTEMS WITH COMBINED POWER SUPPLY Modern continuous lighting systems use powerful high-performance LEDs as light sources and an important task is to begin using alternative renewable energy sources for their power supply (including during the day). The simplest of the renewable energy sources is photovoltaic solar energy converter. However, solar photovoltaic generation depends significantly on many factors - geographical location, time of day, state of the atmosphere, time of year and the like. In addition, photovoltaic generation depends on the weather conditions and cloudiness, which makes it unstable and prone to change drastically (by an order of magnitude) during daylight hours. Therefore, an important element of the power system based on renewable energy sources is the system of accumulation of generated energy. The method of power stabilization using supercapacitors for systems with a significant change in power generation in the electrical power system is analyzed. The paper offers design principles of the power supply systems for powerful LEDs with supercapacitor energy storage devices intended to make the use of energy from sources with variable generation more efficient. The systems with supercapacitor-based drives, which allow to ensure stable operation of the lighting system when the power supply from an alternative source is absent or reduced, provide high safety and reliability, and have a significantly longer service life than battery-based energy storage systems. Keywords: lighting systems, supercapacitors, energy storage devices, photoconverters of solar energy. DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.03 UDC 628.931 REFERENCES 1. Pekur D.V., Sorokin V.M., Nikolaenko Yu.E. Experimental study of a compact cooling system with heat pipes for powerful LED matrix. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2020, no. 3–4, рр. 35–41. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2020.3- 4.35 (Ukr) 2. Borkowski, P., Pawłowski M. Zasilanie energooszczędnych źródeł światła poprzez systemy zasobnikowe. Przeglad Elektro- techniczny, 2013, vol. 89, № 1A, pp. 21–24. 3. Mamen А., Supatti U. A survey of hybrid energy storage systems applied for intermittent renewable energy systems. In Proc. of 2017 14th International Conference on electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 2017, pp. 729–732. https://doi.org/10.1109/ ECTICon.2017.809634 4. Nikolaenko Yu.E. Kravets V.Yu., Naumova A.N., Baranyuk A.V. Development of the ways to increase the lighting energy ef- ficiency of living space. International Journal of Energy for a Clean Environment, 2017, vol. 18, iss. 3, pp. 275–285. https://doi. org/10.1615/InterJEnerCleanEnv.2018021641 5. Kolomzarov Yu.V., Kostilov V.P., Sorokin V.M et al. Environmental issues of lighting and prospects of energy-saving LED lighting systems with combined power supply. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2020, no. 5–6, рр. 3–9. https://doi.org/10.15222/TKEA2020.5-6.03 (Ukr) 6. Kulova T.L., Nikolaev I.I., Fateev V.N., Aliev A.Sh. [Modern electrochemical energy storage systems]. Kimya Problemlеri, 2018, № 1, c. 9–34. (Rus) 7. Barton J.P., Infield D.G. Energy storage and its use with intermittent renewable energy. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004, vol. 19, № 2, pp. 441–448. https://doi.org/10.1109/ TEC.2003.822305 8. Marlinda A.R., Zaman Zaira Chowdhury, Yasmin Binti Abdul Wahab et al. Chapter two — Fundamental electrochemical energy storage systems Suresh Sagadevan. Advances in Supercapacitor and Supercapattery, 2021, pp. 27–43. https://doi.org/10.1016/B978-0-12- 819897-1.00001-X 9. Krishnamoorthy K., Pazhamalai P., Mariappan V.K et al. Two-Dimensional Siloxene-Graphene Heterostructure-Based High- Performance Supercapacitor for Capturing Regenerative Braking Energy in Electric Vehicles. Adv. Funct. Mater, 2020, Art. no. 2008422. https://doi.org/10.1002/adfm.202008422 10. Kozhushko Yu., Pavković D., Karbivska T., Safronov P., Bondarenko O. Robust Control of Battery-Supercapacitor Energy Storage System Using Kharitonov Theorem. In Proc. of 2020 IEEE 14th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering, CPE-POWERENG 2020, 2020, pp. 550–555. https://doi.org/10.1109/CPE-POWERENG48600.2020.9161569 11. Mars P. Supercapacitors for SSD backup power. Electron. Products, 2009, vol. 51, no. 10, pp. 40–41. 12. Miller J. R. Engineering electrochemical capacitor applica- tions. Journal of Power Sources, 2016, vol. 326, pp. 726–735. https:// doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.04.020 13. Kozhushko Y., Pavkovic D., Zinchenko D. et al. Hybrid Energy Storage System of Power Supply for Micro Resistance Welding. 2019 IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, Ukraine, 2019, pp. 584–589. https://doi.org/10.1109/ELNANO.2019.8783890 14. Arkhangelski J., Roncero-Sánchez P., Abdou-Tankari M. et al. Control and Restrictions of a Hybrid Renewable Energy System Connected to the Grid: A Battery and Supercapacitor Storage Case. Energies, 2019, vol. 12, iss. 14, art. no. 2776. https://doi.org/10.3390/ en12142776 Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 1–2 9ISSN 2309-9992 (Online) 7 НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ Опис статті для цитування: Пекур Д. В., Коломзаров Ю. В., Костильов В. П., Сорокін В. М., Корнага В. І. , Коркішко Р. М., Ніколаєнко Ю. Є. Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням. Техно логия и конструи рование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2, с. 3–9. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2021.1-2.03 Cite the article as: Pekur D.V., Kolomzarov Yu.V., Kostilov V. P., Sorokin V. M., Kornaga V. I., Korkishko R. M., Nikolaenko Yu .E. Supercapacitor energy storage systems for lighting systems with combined power supply. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2021, no. 1–2, pp. 3–9. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2021.1- 2.03 15. Tao Ma, Hongxing Yang, Lin Lu. Development of hybrid battery–supercapacitor energy storage for remote area renewable energy systems. Applied Energy, 2015, vol. 153, pp. 56–62. https:// doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.12.008 16. Kashkarov A. [Supercapacitor in an autonomous electrical circuit]. Sovremennaya elektronika, 2014, no. 1, c. 38–40. (Rus) 17. Mouser Electronics. 2.7V 1F, 100F, 150F ULTRACAPACITOR CELL,. https://www.mouser.mx/datasheet/2/257/2_7_1_100_150F_ ds_3001957_datasheet-1518704.pdf (28 December 2020). 18. Mouser Electronics. 3.0V 50F ULTRACAPACITOR CELL,. https://www.mouser.com/datasheet/2/257/3V_50F_data- sheet-1535527.pdf (28 December 2020). 19. Helmholtz H.V. Ueber einige Gesetze der Vertheilung elektrischer Ströme in körperlichen Leitern mit Anwendung auf die thierisch‐elektrischen Versuche. Ann. Phys. (Leipzig), 1853, vol. 165, iss. 6, pp. 211–233. https://doi.org/10.1002/andp.18531650603 20. Becker H.I. General electric. Low voltage electrolytic capactor. Pat. USA, no. 2800616, 1957. 21. Xing T., Ouyang Y., Zheng L. et al. Free-standing ternary me- tallic sulphides/Ni/C-nanofiber anodes for high-performance lithium- ion capacitors. Energy Chem, 2020, vol. 42, pp. 108–115. https://doi. org/10.1016/j.jechem.2019.06.002 22. An Y., Chen S., Zou M. et al. Improving anode performances of lithium-ion capacitors employing carbon–Si composites. Rare Met., 2019. vol. 38, pp. 1113–1123. https://doi.org/10.1007/s12598- 019-01328-w 23. Chen Y., Qiu X., Fan L. Z. Nitrogen-rich hierarchically porous carbon foams as high-performance electrodes for lithium-based dual- ion capacitor. J. Energy Chem., 2020, vol. 48, pp. 187–194. https:// doi.org/10.1016/j.jechem.2020.01.024 24. Zhao J., Burke A. Review on supercapacitors: Technologies and performance evaluation. Journal of Energy Chemistry, 2021, vol. 59, pp. 276–291. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.11.013 25. Cree Inc. XLamp CMU Family LEDs,. https://www.cree.com/ led-components/products/xlamp-cob-integrated-arrays/cmu-leds (28 December 2020). 26. NASA. NASA POWER Data Access Viewer,. https://power. larc.nasa.gov/data-access-viewer/ (28 December 2020). Дробахін О. О., Плаксін С. В., Рябчій В. Д., Салтиков Д. Ю. Техніка та напівпровідникова електроніка НВЧ: Навчальний посібник.— Дніпро : ДНУ, 2018. Наведено відомості стосовно основних ліній передачі НВЧ діапазону, теорії мікрохвильових кіл. Розглянуті методи теорії довгих ліній та багатополюсників НВЧ для аналізу і синтезу пристроїв на основі мікрохвильових ліній передачі. Наведено відомості про конструкції основних елементів НВЧ-техніки та їхні параметри, при цьому використано формалізм матриць розсіяння. Розглянуто переважно хвилевідні елементи, які застосовують для розв’язання задач прикладної фізики. Проаналізовано фізичні принципи роботи основних типів напівпровідникових і феритових пристроїв електроніки надвисоких частот. Надано основні теоретичні співвідношення та типові схеми для напівпровідникових генераторів, підсилювачів і перетворювачів частоти. Сформульовано критерії вибору оптимальних режимів їхньої роботи, визначено гра- нично можливі параметри і методи їх досягнення. До кожної теми запропоновано пи- тання для перевірки рівня її засвоєння. Посібник містить тести для самостійної робо- ти. Нове видання доповнено відомостями про квазіоптичні лінії передачі та пристрої на їхній основі. Для студентів, які навчаються за спеціальністю «Прикладна фізика та наноматеріали». Посібник також може бути корисним аспірантам і студентам старших курсів радіотехнічних і радіофізичних спеціальностей, а також всім, хто цікавиться технікою НВЧ-діапазону. Н О В І К Н И Г И НОВІ КНИГИ
id oai:tkea.com.ua:article-80
institution Technology and design in electronic equipment
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-07-03T01:01:17Z
publishDate 2021
publisher PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
record_format ojs
resource_txt_mv wwwtkeacomua/a9/bd75ed3952171431aff87272d39bc8a9.pdf
spelling oai:tkea.com.ua:article-802026-07-02T12:37:34Z Supercapacitor energy storage systems for lighting systems with combined power supply Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням Pekur, Demyd Kolomzarov, Yuriy Kostylyov, Vitaliy Sorokin, Viktor Kornaga, Vasyl Korkishko, Roman Nikolaenko, Yurii lighting systems supercapacitors energy storage devices photoconverters of solar energy системи освітлення суперконденсатори накопичувачі енергії фотоперетворювачі сонячної енергії Modern continuous lighting systems use powerful high-performance LEDs as light sources and an important task is to begin using alternative renewable energy sources for their power supply (including during the day). The simplest of the renewable energy sources is photovoltaic solar energy converter. However, solar photovoltaic generation depends significantly on many factors — geographical location, time of day, state of the atmosphere, time of year and the like. In addition, photovoltaic generation depends on the weather conditions and cloudiness, which makes it unstable and prone to change drastically (by an order of magnitude) during daylight hours. Therefore, an important element of the power system based on renewable energy sources is the system of accumulation of generated energy. The method of power stabilization using supercapacitors for systems with a significant change in power generation in the electrical power system is analyzed. The paper offers design principles of the power supply systems for powerful LEDs with supercapacitor energy storage devices intended to make the use of energy from sources with variable generation more efficient. The systems with supercapacitor-based drives, which allow to ensure stable operation of the lighting system when the power supply from an alternative source is absent or reduced, provide high safety and reliability, and have a significantly longer service life than battery-based energy storage systems. Запропоновано принципи побудови систем живлення потужних світлодіодних джерел світла з суперконденсаторними накопичувачами енергії для підвищення ефективності використання енергії від джерел зі змінною генерацією у вигляді сонячних батарей. Системи з накопичувачами на основі суперконденсаторів, що дозволяють забезпечити стабільну роботу освітлювальної системи в періоди відсутності енергії чи зниження її надходження від альтернативного джерела, забезпечують високу безпечність і надійність роботи, а також мають значно вищий термін експлуатації у порівнянні з системами зберігання енергії на основі акумуляторів. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021-03-23 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.03 10.15222/TKEA2021.1-2.03 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2021): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 3-9 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2021): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 3-9 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2021.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.03/73 Copyright (c) 2021 Demyd Pekur, Yuriy Kolomzarov, Vitaliy Kostylyov, Viktor Sorokin, Vasyl Kornaga, Roman Korkishko, Yurii Nikolaenko http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
spellingShingle системи освітлення
суперконденсатори
накопичувачі енергії
фотоперетворювачі сонячної енергії
Pekur, Demyd
Kolomzarov, Yuriy
Kostylyov, Vitaliy
Sorokin, Viktor
Kornaga, Vasyl
Korkishko, Roman
Nikolaenko, Yurii
Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_alt Supercapacitor energy storage systems for lighting systems with combined power supply
title_full Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_fullStr Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_full_unstemmed Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_short Суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
title_sort суперконденсаторні енергонакопичувачі для освітлювальних систем з комбінованим електроживленням
topic системи освітлення
суперконденсатори
накопичувачі енергії
фотоперетворювачі сонячної енергії
topic_facet lighting systems
supercapacitors
energy storage devices
photoconverters of solar energy
системи освітлення
суперконденсатори
накопичувачі енергії
фотоперетворювачі сонячної енергії
url https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.03
work_keys_str_mv AT pekurdemyd supercapacitorenergystoragesystemsforlightingsystemswithcombinedpowersupply
AT kolomzarovyuriy supercapacitorenergystoragesystemsforlightingsystemswithcombinedpowersupply
AT kostylyovvitaliy supercapacitorenergystoragesystemsforlightingsystemswithcombinedpowersupply
AT sorokinviktor supercapacitorenergystoragesystemsforlightingsystemswithcombinedpowersupply
AT kornagavasyl supercapacitorenergystoragesystemsforlightingsystemswithcombinedpowersupply
AT korkishkoroman supercapacitorenergystoragesystemsforlightingsystemswithcombinedpowersupply
AT nikolaenkoyurii supercapacitorenergystoragesystemsforlightingsystemswithcombinedpowersupply
AT pekurdemyd superkondensatorníenergonakopičuvačídlâosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm
AT kolomzarovyuriy superkondensatorníenergonakopičuvačídlâosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm
AT kostylyovvitaliy superkondensatorníenergonakopičuvačídlâosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm
AT sorokinviktor superkondensatorníenergonakopičuvačídlâosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm
AT kornagavasyl superkondensatorníenergonakopičuvačídlâosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm
AT korkishkoroman superkondensatorníenergonakopičuvačídlâosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm
AT nikolaenkoyurii superkondensatorníenergonakopičuvačídlâosvítlûvalʹnihsistemzkombínovanimelektroživlennâm