Ultracapacitors چیست

مقدمه:

برخلاف مقاومت که انرژی را به شکل گرما تلف می‌کند، Ultracapacitors ایده آل انرژی خود را از دست نمی‌دهند. همچنین دیده‌ایم که ساده‌ترین شکل خازن دو صفحه فلزی رسانای موازی است که توسط یک ماده عایق مانند هوا، میکا، کاغذ، سرامیک و غیره از هم جدا می‌شوند و دی‌الکتریک را در فاصله‌ای d می‌گویند. در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی Ultracapacitors می پردازیم.

خازن ها انرژی را در نتیجه توانایی خود در ذخیره شارژ با مقدار بار ذخیره شده بر روی خازن بسته به ولتاژ V اعمال شده روی صفحات آن ذخیره می‌کنند و هر چه ولتاژ بیشتر باشد، بار بیشتری توسط خازن ذخیره می‌شود. ∞ V.

یک خازن دارای یک ثابت تناسب به نام ظرفیت، نماد C است که نشان دهنده توانایی یا ظرفیت خازن برای ذخیره بار الکتریکی با مقدار بار بسته به مقدار ظرفیت خازن است: Q ∞ C.

Ultracapacitors چیست؟

ممکن است قبلاً با باتری آشنا شده باشید، شکل شیمیایی ذخیره انرژی که می‌تواند مقادیر زیادی انرژی را ذخیره کند اما شارژ و تخلیه آن زمان می‌برد. حتی ممکن است برخی از شما در مورد خازن هایی شنیده باشید که دارای زمان شارژ آنی هستند، اما ظرفیت انرژی کمی دارند.

اگر بخواهید مقادیر زیادی انرژی ذخیره کنید، اما به زمان شارژ و دشارژ سریع یک خازن نیز نیاز داشته باشید، چه؟ Ultracapacitors را وارد کنید که به عنوان ابرخازن نیز شناخته می‌شود، یک فناوری نسبتاً جدید که در مسیر دستیابی به بهترین های جهان است.

ساخت Ultracapacitors :

الکترودهای روکش شده دو طرفه از کربن گرافیت به شکل کربن رسانای فعال، نانولوله های کربنی یا ژل های کربنی ساخته شده‌اند. یک غشای کاغذی متخلخل به نام جداکننده، الکترودها را از هم دور نگه می‌دارد، اما به یون مثبت اجازه عبور می‌دهد و در عین حال الکترون‌های بزرگ‌تر را مسدود می‌کند. جداکننده کاغذ و الکترود کربن هر دو به الکترولیت مایع با یک فویل آلومینیومی که در بین آن‌ها استفاده می‌شود آغشته می‌شوند تا به عنوان کلکتور جریان عمل کنند که به زبانه های لحیم کاری فوق خازن ها متصل می‌شود.

ساختار دو لایه الکترودهای کربنی و جداکننده ممکن است بسیار نازک باشد، اما سطح موثر آن‌ها در صورت جمع شدن با هم به هزاران متر مربع می‌رسد. سپس برای افزایش ظرفیت یک فوق خازن، بدیهی است که باید سطح تماس A (بر حسب متر مربع) را بدون افزایش اندازه فیزیکی خازن ها افزایش دهیم یا از نوع خاصی از الکترولیت برای افزایش مثبت موجود استفاده کنیم. یون ها برای افزایش رسانایی

سپس فوق خازن ها به دلیل مقادیر بالای ظرفیت خازنی تا صدها فاراد، به دلیل فاصله بسیار کم d یا جدا شدن صفحات آن‌ها و سطح بالای الکترودها A برای تشکیل روی سطح یک دستگاه ذخیره انرژی عالی می‌سازند. لایه ای از یون های الکترولیتی که یک لایه دوگانه را تشکیل می‌دهند. این ساختار به طور موثر دو خازن را ایجاد می‌کند، یکی در هر الکترود کربن که به Ultracapacitors نام ثانویه خازن دو لایه  را می‌دهد که دو خازن را به صورت سری تشکیل می‌دهد.

با این حال، مشکل این اندازه کوچک این است که ولتاژ در سراسر خازن فقط می‌تواند بسیار کم باشد زیرا ولتاژ نامی سلول فوق خازن عمدتاً توسط ولتاژ تجزیه الکترولیت تعیین می‌شود. سپس یک سلول خازن معمولی بسته به الکترولیت مورد استفاده ولتاژ کاری بین 1 تا 3 ولت دارد که می‌تواند مقدار انرژی الکتریکی را که می‌تواند ذخیره کند محدود کند.

برای ذخیره شارژ در یک ولتاژ معقول، Ultracapacitors باید به صورت سری وصل شوند. بر خلاف خازن های الکترولیتی و الکترواستاتیکی، فوق خازن ها با ولتاژ پایانه پایین مشخص می‌شوند. به منظور افزایش ولتاژ نامی ترمینال به ده ها ولت، سلول های فوق خازن باید به صورت سری یا موازی متصل شوند تا به مقادیر ظرفیت خازنی بالاتر همان‌طور که نشان داده شده است دست یابند.

افزایش ارزش Ultracapacitors :

کجا: VCELL ولتاژ یک سلول است و CCELL ظرفیت یک سلول است.

از آنجایی که ولتاژ هر سلول خازن حدود 3.0 ولت است، اتصال تعداد بیشتری از سلول های خازن به صورت سری باعث افزایش ولتاژ می‌شود. در حالی که اتصال سلول های خازن بیشتر به صورت موازی باعث افزایش ظرفیت آن می‌شود. سپس می توانیم ولتاژ کل و ظرفیت کل یک بانک فوق خازن را به صورت زیر تعریف کنیم:

جایی که: M تعداد ستون ها و N تعداد سطرها است. همچنین توجه داشته باشید که مانند باتری ها، Ultracapacitors دارای قطبیت مشخصی هستند که ترمینال مثبت روی بدنه خازن مشخص شده است.

انرژی  Ultracapacitors :

مانند تمام خازن‌ها، Ultracapacitors یک وسیله ذخیره انرژی است. انرژی الکتریکی به عنوان بار در میدان الکتریکی بین صفحات آن ذخیره می‌شود و در نتیجه این انرژی ذخیره شده، اختلاف پتانسیل، یعنی یک ولتاژ، بین دو صفحه وجود دارد. در طول شارژ (جریان عبوری از اولترخازن از منبع متصل)، انرژی الکتریکی بین صفحات آن ذخیره می‌شود.

هنگامی که Ultracapacitors شارژ می‌شود، جریان از منبع تغذیه متوقف می‌شود و ولتاژ پایانه اولترخازن برابر با ولتاژ منبع تغذیه است. در نتیجه، یک فوق خازن شارژ شده، این انرژی الکتریکی را حتی زمانی که از منبع ولتاژ خارج می‌شود، ذخیره می‌کند تا زمانی که به عنوان یک دستگاه ذخیره انرژی مورد نیاز باشد.

هنگام تخلیه (جریان خارج می‌شود)، فوق خازن این انرژی ذخیره شده را به انرژی الکتریکی برای تامین بار متصل تبدیل می‌کند. سپس یک فوق خازن به خودی خود انرژی مصرف نمی‌کند، بلکه انرژی الکتریکی را در صورت نیاز ذخیره و آزاد می‌کند و مقدار انرژی ذخیره شده در فوق خازن متناسب با مقدار ظرفیت خازن است.

 آینده Ultracapacitors:

Ultracapacitors در حال حاضر جای خوبی بین باتری ها و خازن های معمولی دارند. اولتراخازن یک فناوری جدید است و نوآوری‌ها در فناوری نانو و علم مواد احتمالاً توانایی‌های فوق‌خازن‌های آینده را گسترش خواهند داد. جام مقدس ذخیره انرژی دستگاهی است که زمان شارژ و دشارژ سریع، تعداد چرخه زیاد، عمر چرخه طولانی، چگالی توان بالا و چگالی انرژی بالا دارد.

از آنجایی که Ultracapacitors فقط از نظر چگالی انرژی عقب است، کاندیدای عالی برای دستگاه ذخیره انرژی نهایی است. با این حال، یک حوزه عملی‌تر در آینده برای تحقیق، ایجاد سیستم‌های انرژی کامل است که از دستگاه ذخیره‌سازی مناسب برای کار استفاده می‌کنند.

نتیجه گیری Ultracapacitors :

 دیده‌ایم که Ultracapacitors یک دستگاه الکتروشیمیایی متشکل از دو الکترود متخلخل است که معمولاً از کربن فعال غوطه‌ور در محلول الکترولیت تشکیل شده است که بار را به صورت الکترواستاتیک ذخیره می‌کند. این آرایش به طور موثر دو خازن را ایجاد می‌کند، یکی در هر الکترود کربن که به صورت سری به هم متصل می‌شوند.

Ultracapacitors با ظرفیت های صدها فاراد در اندازه فیزیکی بسیار کوچک در دسترس هستند و می توانند چگالی توان بسیار بالاتری نسبت به باتری ها داشته باشند. با این حال، درجه ولتاژ یک فوق خازن معمولاً کمتر از حدود 3 ولت است، بنابراین چندین خازن باید به صورت سری و موازی به یکدیگر متصل شوند تا ولتاژ مفیدی را فراهم کنند.

Ultracapacitors را می توان به عنوان دستگاه های ذخیره انرژی مشابه باتری استفاده کرد و در واقع به عنوان باتری فوق خازن طبقه بندی می‌شود؛ اما بر خلاف باتری، فوق خازن ها می توانند چگالی توان بسیار بالاتری را در مدت زمان کوتاه تری به دست آورند.

همچنین،Ultracapacitors در حال حاضر در بسیاری از خودروهای هیبریدی بنزینی و همچنین خودروهای الکتریکی با پیل سوختی استفاده می‌شوند، زیرا توانایی تخلیه سریع ولتاژهای بالا را دارند و سپس دوباره برای چرخه بعدی شارژ می‌شوند.

با استفاده از Ultracapacitors همراه با سلول‌های سوختی معمولی و باتری‌های خودرو، می‌توان اوج نیازهای توان و تغییرات گذرا در شرایط بار را بسیار مؤثرتر کنترل کرد.