Εισαγωγή στους υπερσυμπιεστές

Ο πυκνωτής είναι ένα παθητικό συστατικό δύο τερματικών, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στα ηλεκτρονικά. Σχεδόν, κάθε κύκλωμα που βρίσκουμε στα ηλεκτρονικά, χρησιμοποιεί έναν ή περισσότερους πυκνωτές για διάφορες χρήσεις. Οι πυκνωτές είναι το πιο χρησιμοποιημένο ηλεκτρονικό εξάρτημα μετά από αντιστάσεις. Έχουν μια ειδική ικανότητα να αποθηκεύουν ενέργεια. Υπάρχουν διάφοροι τύποι πυκνωτών που διατίθενται στην αγορά, αλλά ένας που παίρνει πρόσφατα δημοτικότητα και υπόσχεται μια αντικατάσταση ή εναλλακτική λύση μπαταριών στο μέλλον, είναι υπερσυμπιεστές ή επίσης γνωστοί ως υπερ - πυκνωτές. Ένας υπερσυμπιεστής δεν είναι παρά ένας πυκνωτής υψηλής χωρητικότητας με τιμές χωρητικότητας πολύ υψηλότερες από τους κανονικούς πυκνωτές αλλά χαμηλότερα όρια τάσης. Μπορούν να αποθηκεύσουν 10 έως 100 φορές περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα όγκου ή μάζα από τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, μπορούν να λάβουν και να αποδώσουν φόρτιση πολύ πιο γρήγορα από μπαταρίες και ανέχονται περισσότερους κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης από τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.

Το Supercapacitors ή το Ultracapacitors είναι μια νέα τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας που έχει αναπτυχθεί σε μεγάλο βαθμό στη σύγχρονη εποχή. Οι υπερκαταναλωτές παρέχουν σημαντικά βιομηχανικά και οικονομικά οφέλη

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή μετράται σε Farad (F), όπως.1uF (microfarad), 1mF (millifarad). Ωστόσο, ενώ οι πυκνωτές χαμηλότερης τιμής είναι αρκετά συνηθισμένοι στα ηλεκτρονικά, διατίθενται επίσης πυκνωτές πολύ υψηλής αξίας, οι οποίοι αποθηκεύουν ενέργεια σε πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα και διατίθενται σε πολύ υψηλή χωρητικότητα, πιθανότατα κυμαίνονται στο Farad.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται μια τοπικά διαθέσιμη εικόνα 2,7V, 1Farad super capacitor. Η βαθμολογία τάσης είναι πολύ χαμηλότερη, αλλά η χωρητικότητα του παραπάνω πυκνωτή είναι αρκετά υψηλή.

Οφέλη του Super-Capacitor ή του Ultra-Capacitor

Η ζήτηση των Supercapacitors αυξάνεται μέρα με τη μέρα. Ο κύριος λόγος για την ταχεία ανάπτυξη και ζήτηση οφείλεται σε πολλά άλλα οφέλη του Supercapacitors, μερικά από αυτά αναφέρονται παρακάτω:

• Παρέχει μια πολύ καλή ζωή περίπου 1 εκατομμυρίου κύκλων φόρτισης.
• Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι από -50 βαθμούς έως 70 βαθμούς σχεδόν, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για χρήση σε καταναλωτικές εφαρμογές.
• Υψηλή πυκνότητα ισχύος έως 50 φορές, η οποία επιτυγχάνεται με μπαταρίες.
• Τα επιβλαβή υλικά, τα τοξικά μέταλλα δεν αποτελούν μέρος της διαδικασίας κατασκευής Super Capacitors ή Ultracapacitors που το καθιστά πιστοποιημένο ως συστατικό μιας χρήσης.
• Είναι πιο αποτελεσματικό από τις μπαταρίες.
• Δεν απαιτεί συντήρηση σε σύγκριση με τις μπαταρίες.

Οι υπερκατασκευαστές αποθηκεύουν ενέργειες στο ηλεκτρικό της πεδίο, αλλά στην περίπτωση των μπαταριών, χρησιμοποιούν χημικές ενώσεις για την αποθήκευση ενέργειας. Επίσης, λόγω της ικανότητας γρήγορης φόρτισης και εκφόρτισης, οι Supercapacitors εισέρχονται αργά στην αγορά μπαταριών. Η χαμηλή εσωτερική αντίσταση με πολύ υψηλή απόδοση, χωρίς κόστος συντήρησης, υψηλότερη διάρκεια ζωής είναι ο κύριος λόγος για την υψηλή ζήτηση στη σύγχρονη αγορά που σχετίζεται με την πηγή ενέργειας.

Ενέργειες στον πυκνωτή

Ένα κατάστημα πυκνωτή ενέργειας με τη μορφή Q = C χ V. Q σημαίνει Φόρτιση σε Coulombs, C για χωρητικότητα σε Farads και V για τάση σε βολτ. Έτσι, εάν αυξήσουμε τη χωρητικότητα, η αποθηκευμένη ενέργεια Q θα αυξηθεί επίσης.

Η μονάδα χωρητικότητας είναι Farad (F) που πήρε το όνομά του από τον M. Faraday. Το Farad είναι η μονάδα χωρητικότητας σε σχέση με το coulomb / volt. Αν πούμε έναν πυκνωτή με 1 Farad, τότε θα δημιουργήσει διαφορά δυναμικού 1 volt μεταξύ των πλακών του ανάλογα με το φορτίο 1-coulomb.

1 Το Farad είναι ένας πυκνωτής πολύ μεγάλης αξίας για χρήση ως γενικό ηλεκτρονικό στοιχείο. Στα ηλεκτρονικά, Γενικά, χρησιμοποιείται χωρητικότητα microfarad to Pico farad. Το Microfarad χαρακτηρίζεται ως uF (1 / 1.000.000 Farad ή 10 ^-6 F), το nano farad ως nF (1 / 1.000.000.000 ή 10 ^-9 F) και το Pico farad ως pF (1 / 1.000.000.000.000 ή10 ^-12 F)

Εάν η τιμή γίνει πολύ υψηλότερη, όπως mF σε λίγες Farads (Γενικά <10F), σημαίνει ότι ο πυκνωτής μπορεί να συγκρατεί πολύ περισσότερες ενέργειες μεταξύ των πλακών του, αυτός ο πυκνωτής ονομάζεται Ultra πυκνωτής ή Supercapacitor.

Οι ενέργειες που αποθηκεύονται σε έναν πυκνωτή είναι E = ½ CV ² Joules. E είναι η αποθηκευμένη ενέργεια σε joules, C είναι η χωρητικότητα σε Farad και V είναι η πιθανή διαφορά μεταξύ των πλακών.

Κατασκευή

Το Supercapacitor είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή. Είναι ενδιαφέρον ότι δεν υπάρχουν χημικές αντιδράσεις που είναι υπεύθυνες για την αποθήκευση των ηλεκτρικών ενεργειών της, έχουν μια μοναδική κατασκευή, με μια μεγάλη αγώγιμη πλάκα ή ηλεκτρόδιο, τα οποία βρίσκονται πολύ κοντά σε μια πολύ μικρή επιφάνεια. Η κατασκευή του είναι ίδια με έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή με υγρό ή υγρό ηλεκτρολύτη μεταξύ των ηλεκτροδίων του. Μπορείτε να μάθετε για διαφορετικούς τύπους πυκνωτών εδώ.

Το Supercapacitor λειτουργεί ως ηλεκτροστατική συσκευή που αποθηκεύει την ηλεκτρική της ενέργεια ως το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των αγώγιμων ηλεκτροδίων.

Τα ηλεκτρόδια, κόκκινο και μπλε, είναι επικαλυμμένα διπλής όψης. Κατασκευάζονται γενικά από άνθρακα γραφίτη με τη μορφή νανοσωλήνων άνθρακα ή πηκτωμάτων ή ενός ειδικού τύπου αγώγιμων ενεργών άνθρακα.

Για τον αποκλεισμό της μεγάλης ροής ηλεκτρονίων μεταξύ των ηλεκτροδίων και τη διέλευση του θετικού ιόντος, χρησιμοποιείται μια πορώδης μεμβράνη χαρτιού. Η μεμβράνη χαρτιού διαχωρίζει επίσης τα ηλεκτρόδια. Όπως μπορούμε να δούμε στην παραπάνω εικόνα, η πορώδης μεμβράνη χαρτιού βρίσκεται στη μέση που έχει πράσινο χρώμα. Τα ηλεκτρόδια και ο διαχωριστής χαρτιού εμποτίζονται με τον υγρό ηλεκτρολύτη. Το αλουμινόχαρτο χρησιμοποιείται ως συλλέκτης ρεύματος που δημιουργεί την ηλεκτρική σύνδεση.

Η πλάκα διαχωρισμού και η περιοχή των πλακών ευθύνονται για την τιμή χωρητικότητας του πυκνωτή. Η σχέση μπορεί να δηλωθεί ως

Όπου, Ɛ είναι η διαπερατότητα του υλικού που υπάρχει μεταξύ των πλακών

Α είναι η περιοχή της πλάκας

D είναι ο διαχωρισμός μεταξύ πλακών

Επομένως, στην περίπτωση του υπερκλειστή, η επιφάνεια επαφής πρέπει να αυξηθεί, αλλά υπάρχει ένας περιορισμός. Δεν μπορούμε να αυξήσουμε το φυσικό σχήμα ή το μέγεθος του πυκνωτή. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός χρησιμοποιείται ειδικός τύπος ηλεκτρολυτών για την αύξηση της αγωγιμότητας μεταξύ πλακών αυξάνοντας έτσι την χωρητικότητα.

Οι supercapacitors ονομάζεται επίσης ως πυκνωτής διπλής στρώσης. Υπάρχει ένας λόγος πίσω από αυτό. Πολύ μικρό διαχωρισμό και μεγάλη επιφάνεια χρησιμοποιώντας ειδικό ηλεκτρολύτη, το επιφανειακό στρώμα των ηλεκτρολυτικών ιόντων σχηματίζει ένα διπλό στρώμα. Δημιουργεί δύο πυκνωτές κατασκευή, ένα σε κάθε ηλεκτρόδιο άνθρακα και ονομάζεται πυκνωτής διπλού στρώματος.

Αυτές οι κατασκευές έχουν ένα μειονέκτημα. Η τάση στον πυκνωτή έγινε πολύ χαμηλή λόγω της τάσης αποσύνθεσης του ηλεκτρολύτη. Η τάση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το υλικό ηλεκτρολύτη, το υλικό μπορεί να περιορίσει την ικανότητα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας του πυκνωτή. Έτσι, λόγω της χαμηλής τάσης του τερματικού, ένας υπερσυμπιεστής μπορεί να συνδεθεί εν σειρά για να αποθηκεύσει ηλεκτρικό φορτίο σε ένα χρήσιμο επίπεδο τάσης. Λόγω αυτού, ο υπερσυμπιεστής σε σειρά παράγει υψηλότερη τάση από το συνηθισμένο και παράλληλα, η χωρητικότητα έγινε μεγαλύτερη. Μπορεί να γίνει κατανοητό με την παρακάτω τεχνική Supercapacitor Array Construction.

Κατασκευή Supercapacitor Array

Για να αποθηκεύσετε τη φόρτιση σε μια χρήσιμη απαιτούμενη τάση, οι υπερπυκνωτές πρέπει να συνδεθούν σε σειρά. Και για την αύξηση της χωρητικότητας πρέπει να συνδέονται παράλληλα.

Ας δούμε την κατασκευή πίνακα του Supercapacitor.

Στην παραπάνω εικόνα, η τάση κυψέλης ενός μεμονωμένου στοιχείου ή πυκνωτή δηλώνεται ως Cv, ενώ η χωρητικότητα ενός μεμονωμένου στοιχείου δηλώνεται ως Cc. Το εύρος τάσης ενός υπερσυμπιεστή είναι από 1V έως 3V, οι σειριακές συνδέσεις αυξάνουν την τάση και περισσότεροι πυκνωτές αυξάνουν παράλληλα την χωρητικότητα.

Εάν δημιουργήσουμε τον πίνακα, η τάση σε σειρά θα είναι

Συνολική τάση = Τάση κυψέλης (Cv) x Αριθμός σειρών

Και η χωρητικότητα παράλληλα θα είναι

Συνολική χωρητικότητα = Χωρητικότητα κυψέλης (Cc) x (Αριθμός στήλης / Αριθμός σειράς)

Παράδειγμα

Πρέπει να δημιουργήσουμε μια εφεδρική συσκευή αποθήκευσης και γι 'αυτό απαιτείται 2.5F super ή supercapacitor με την βαθμολογία 6V.

Εάν πρέπει να δημιουργήσουμε τον πίνακα χρησιμοποιώντας πυκνωτές 1F με βαθμολογία 3V, τότε ποιο θα είναι το μέγεθος του πίνακα και οι ποσότητες πυκνωτών;

Συνολική τάση = Τάση κυψέλης x Αριθμός σειράς Στη συνέχεια, αριθμός σειράς = 6/3 Αριθμός σειράς = 2

Σημαίνει δύο πυκνωτές σε σειρά θα έχουν διαφορά δυναμικού 6V.

Τώρα, η χωρητικότητα, Συνολική χωρητικότητα = Χωρητικότητα κυψέλης x (Αριθμός στήλης / Αριθμός σειράς) Στη συνέχεια, αριθμός Coloumn = (2,5 x 2) / 1

Χρειαζόμαστε λοιπόν 2 σειρές και 5 στήλες.

Ας φτιάξουμε τον πίνακα,

Η συνολική ενέργεια που αποθηκεύεται στον πίνακα είναι

Οι υπεραισθητήρες είναι καλοί στην αποθήκευση ενέργειας και όπου απαιτείται γρήγορη φόρτιση ή εκφόρτιση. Χρησιμοποιείται ευρέως ως εφεδρικές συσκευές, όπου απαιτείται εφεδρική τροφοδοσία ή γρήγορη εκφόρτιση. Χρησιμοποιούνται περαιτέρω σε εκτυπωτές, αυτοκίνητα και διάφορες πόσιμες ηλεκτρονικές συσκευές.