مقدمه ای بر ابرخازن ها

با توسعه جامعه و اقتصاد، توجه مردم به انرژی سبز و محیط زیست بیشتر و بیشتر می شود. ابرخازن‌ها به‌عنوان نوع جدیدی از دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی، به دلیل مزایای غیرقابل جایگزینی، توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. مهندسان شروع به جایگزینی باتری‌های سنتی با ابرخازن‌ها در برخی طرح‌ها کرده‌اند که نیاز به راه‌حل‌های پرقدرت و راندمان بالایی دارند. نقص در فناوری باتری باتری های جدید مانند Li-ion و NiMH می توانند یک راه حل قابل اعتماد برای ذخیره انرژی ارائه دهند و به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مورد استفاده قرار گرفته اند. همانطور که همه ما می دانیم، باتری های شیمیایی بارهای الکتریکی را از طریق واکنش های الکتروشیمیایی ذخیره می کنند که منجر به انتقال بار فارادی می شود. آنها عمر کوتاهی دارند و به شدت تحت تأثیر دما قرار می گیرند. این نیز مشکلی است که طراحان باتری های سرب اسیدی (باتری) با آن مواجه هستند.

در عین حال، جریان بالا می تواند مستقیماً بر عمر این باتری ها تأثیر بگذارد، بنابراین برای برخی از کاربردهایی که نیاز به عمر طولانی و قابلیت اطمینان بالا دارند، این باتری های مبتنی بر واکنش شیمیایی کاستی های مختلفی را نشان می دهند. ویژگی ها و مزایای ابرخازن ها اصل ابرخازن ها فناوری جدیدی نیست. اکثر ابرخازن های رایج دارای ساختار دو لایه الکتریکی هستند. در مقایسه با خازن های الکترولیتی، این ابرخازن دارای چگالی انرژی و چگالی توان بسیار بالایی است. در مقایسه با خازن‌های سنتی و باتری‌های ثانویه، ابرخازن‌ها ظرفیت ذخیره‌سازی شارژ بالاتری نسبت به خازن‌های معمولی دارند و ویژگی‌های سرعت شارژ و دشارژ سریع، راندمان بالا، عدم آلودگی به محیط، عمر چرخه طولانی، محدوده دمای عملیاتی گسترده و ایمنی بالا را دارند. . علاوه بر قابلیت شارژ و تخلیه سریع، یکی دیگر از ویژگی های کلیدی ابرخازن ها امپدانس کم آنهاست. بنابراین، هنگامی که یک ابرخازن به طور کامل تخلیه می شود، مشخصه مقاومت کمی از خود نشان می دهد و اگر محدودیتی وجود نداشته باشد، جریان منبع ممکن را می کشد.

بنابراین باید از شارژر با جریان ثابت یا ولتاژ ثابت استفاده کرد. 10 سال پیش، ابرخازن ها فقط در مقادیر بسیار کم در هر سال فروخته می شدند و قیمت آن بسیار گران بود، حدود 1 تا 2 دلار آمریکا در فاراد. در حال حاضر ابرخازن ها به عنوان محصولات استاندارد در حجم زیادی به بازار عرضه شده و قیمت آن با میانگین 0.01 بسیار کاهش یافته است. ~ 0.02 دلار / فاراد. در چند سال اخیر، ابرخازن ها شروع به ورود به بسیاری از زمینه های کاربردی مانند لوازم الکترونیکی مصرفی، صنعت و حمل و نقل کرده اند. ساختار ابرخازن ها اگرچه سازندگان ابرخازن های زیادی در جهان وجود دارند که می توانند انواع مختلفی از محصولات ابرخازن را ارائه دهند، اما اکثر محصولات بر اساس ساختار دو لایه الکتریکی مشابهی ساخته شده اند. ساختار ابرخازن ها شبیه خازن های الکترولیتی است. بسیار مشابه، تفاوت اصلی آنها در مواد الکترود است. الکترودهای ابرخازن های اولیه از کربن ساخته شده بودند. مواد الکترود کربنی دارای سطح بالایی هستند و ظرفیت خازنی به فاصله بین سطح و الکترودها بستگی دارد. این می تواند بسیار بزرگ باشد، اکثر ابرخازن ها می توانند سطح فاراد باشند و محدوده ظرفیت عمومی 1 تا 5000 فارنهایت است. استفاده از ابرخازن ها ابرخازن ها کاربردهای گسترده ای دارند. در ترکیب با مواد پرانرژی مانند پیل‌های سوختی، ابرخازن‌ها می‌توانند آزادسازی سریع انرژی را برای برآوردن نیازهای انرژی بالا فراهم کنند و به سلول‌های سوختی اجازه می‌دهند تنها به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار گیرند. در حال حاضر، چگالی انرژی ابرخازن‌ها می‌تواند تا 20 کیلووات بر کیلوگرم باشد، که شروع به تسخیر این بخش از بازار بین خازن‌های سنتی و باتری‌ها کرده است.

در آن دسته از کاربردهایی که نیاز به قابلیت اطمینان بالا اما نیاز به انرژی کم دارند، می توان از ابرخازن ها برای جایگزینی باتری ها استفاده کرد، یا ابرخازن ها و باتری ها را می توان برای کاربردهایی با نیاز انرژی بالا ترکیب کرد تا بتوان از اندازه کوچکتر استفاده کرد. ، باتری های اقتصادی تر. ابرخازن‌ها دارای مقادیر ESR بسیار پایینی هستند که به آنها اجازه می‌دهد تا جریان‌های بزرگی را تامین کنند و جریان‌های بزرگ را به سرعت کاهش دهند. در مقایسه با اصل شارژ شیمیایی، اصل کار ابرخازن‌ها باعث می‌شود عملکرد این محصول پایدارتر شود و در نتیجه طول عمر ابرخازن‌ها بیشتر است. ابرخازن ها منبع تغذیه ایده آلی برای دستگاه هایی هستند که نیاز به شارژ سریع دارند، مانند ابزارهای برقی و اسباب بازی ها. برخی از محصولات برای سیستم باتری هیبریدی / ابرخازن مناسب هستند. استفاده از ابرخازن ها می تواند از استفاده از باتری های حجیم برای به دست آوردن انرژی بیشتر جلوگیری کند. به عنوان مثال دوربین های دیجیتال در لوازم الکترونیکی مصرفی، که در آن استفاده از ابرخازن ها به دوربین های دیجیتال اجازه می دهد تا از باتری های قلیایی ارزان قیمت (به جای باتری های لیتیوم یونی گران قیمت) استفاده کنند. محدوده ولتاژ نامی سلول های ابرخازن (سلول ها) 2.5 تا 2.7 ولت است، بنابراین بسیاری از برنامه ها نیاز به استفاده از سلول های ابرخازن متعدد دارند. هنگام اتصال این سلول ها به صورت سری، مهندس طراح باید تعادل و شارژ بین سلول ها را در نظر بگیرد. هر ابرخازن زمانی که انرژی می گیرد از طریق مقاومت موازی داخلی تخلیه می شود. این جریان تخلیه را جریان نشتی می نامند که بر خود تخلیه واحد ابرخازن تأثیر می گذارد.

مشابه برخی از فناوری‌های باتری ثانویه، ولتاژ ابرخازن‌ها هنگام استفاده سری باید متعادل شود، زیرا جریان نشتی وجود دارد و اندازه مقاومت شنت داخلی توزیع ولتاژ را در سلول‌های ابرخازن سری متصل می‌کند. هنگامی که ولتاژ روی ابرخازن تثبیت می شود، ولتاژ هر واحد با جریان نشتی تغییر می کند، نه با مقدار خازن. هرچه جریان نشتی بزرگتر باشد، ولتاژ نامی کوچکتر است، برعکس، هرچه جریان نشتی کوچکتر باشد، ولتاژ نامی بالاتر است. این به این دلیل است که جریان نشتی باعث تخلیه سلول ابرخازن می شود و ولتاژ را کاهش می دهد که به نوبه خود بر ولتاژ سایر سلول های سری با آن تأثیر می گذارد (با فرض اینکه این سلول ها به صورت سری با همان ولتاژ ثابت تغذیه می شوند). به منظور جبران تغییرات جریان نشتی، یک روش رایج اتصال یک مقاومت به صورت موازی در کنار هر واحد برای کنترل جریان نشتی کل واحد است. این روش به طور موثر تغییر مقاومت موازی متناظر بین واحدها را کاهش می دهد.

یکی دیگر از روش های توصیه شده، متعادل کردن سلول فعال است، که در آن هر سلول به طور فعال نظارت می شود و در صورت تغییر ولتاژ در برابر یکدیگر متعادل می شود. این رویکرد هرگونه بار اضافی بر روی واحد را کاهش می دهد و کار را کارآمدتر می کند. اگر ولتاژ از ولتاژ نامی واحد بیشتر شود، عمر دستگاه کوتاه می شود. برای ابرخازن های با قابلیت اطمینان بالا، نحوه حفظ ولتاژ در محدوده مورد نیاز یک نکته کلیدی است و ولتاژ شارژ باید کنترل شود تا اطمینان حاصل شود که از ولتاژ نامی هر سلول تجاوز نمی کند.