علیرغم شباهت ظاهری به باتریها٬ ابرخازن ها به شیوه های متفاوتی طراحی و استفاده میشوند. خازن یک وسیله ذخیره انرژی است که بر خلاف باتری یک میدان الکتریکی بین دو صفحه هادی موازی ایجاد میکند. با حرکت الکترونها از یک صفحه به صفحه دیگر٬ یک انرژی پتانسیل به وجود می آید که میتواند در یک مدار مرتبط مورد استفاده قرار بگیرد. تجمع انرژی با عنوان شارژ کردن شناخته میشود و خازنها معمولا با کمیت٬ تراکم و نرخ شارژ سنجیده میشوند.
یک خازن دولایه الکتریکی یا ابرخازن میتواند انرژی را با تراکمی که به صورت نمایی از خازن های استاندارد بالاتر است ذخیره و شارژ کند. برای مقایسه٬ ذخیره انرژی یک خازن نوعی با میکرو یا نانوفاراد سنجیده میشود٬ در حالیکه در یک سوپرخازن با فاراد سنجیده میشود. برای درک تفاوتهای طراحی٬ کاربرد٬ و هزینه٬ بهتر است به برخی مشخصات متمایز یک خازن دولایه الکتریکی نگاهی بیندازیم.
طراحی ابرخازن
ظرفیت انرژی یک خازن با مقدار بار ذخیره شده و پتانسیل شارژ بین صفحات آن تعیین میشود. پتانسیل شارژ به شدت تحت تاثیر کیفیت مادهای است که میدان الکتریکی را حفظ میکند و دی الکتریک نامیده میشود. در یک خازن دولایه الکتریکی٬ دی الکتریک معمولا در یک ماده کربنی با سطح زیاد معلق است که باعث میشود محیط دی الکتریک فوق العاده نازک باشد. سطح زیاد و محیط نازک منجر به پتانسیل شارژ بالا با ظرفیت خازنی بالا در یک دستگاه نسبتا کوچک می شوند که نام ابرخازن هم از همین امر نشات گرفته است.
با این که لایه ها در یک خازن دولایه از لحاظ الکتریکی هادی هستند٬ تحمل ولتاژ پایینی دارند (معمولا در حد ۱ ولت). دربرداشتن یک الکترولیت ارگانیک می تواند پذیرش ولتاٰژ را افزایش دهد چرا که می تواند چندین ابرخازن را در یک آرایه سریالی به هم مرتبط کند. ماده استفاده شده در دی الکتریک هم می تواند روی کارایی خازن تاثیر بگذارد. به عنوان مثال٬ کربن فعال سطح بیشتری در مقایسه با آلومینیوم دارد که به طور معمول در خازن های استاندارد استفاده میشود. تحقیقات برای توسعه مواد دی الکتریک جدیدتر و کارآمدتر در دست انجام است.
آیا ابرخازنها راه حل هستند؟
تولیدکنندگانی که گزینه های مختلف تامین انرژی الکتریکی را ارزیابی میکنند باید نقاط قوت و ضعف مختص فرمت دولایه را بررسی کنند. نسبت چگالی انرژی ابرخازن معمولا بین ۰.۵ تا ۱۰ وات ساعت بر کیلوگرم است (ولتاژ نامی به وزن) که به طور چشمگیری بالاتر از یک خازن استاندارد است. با این که این چگالی انرژی در مقایسه با باتری های خط اصلی مانند لیتیوم-یون نسبتا کم است٬ چگالی توان ابرخازن از سطح چگالی توان نظایر آن بسیار بالاتر است. چگالی توان روی نرخ شارژ/دشارژ الکتریکی یک دستگاه احتمالی است٬ به این معنی که ابرخازن ها میتوانند انرژی را سریعتر از بیشتر باتریها تولید و توزیع کنند.
همچنین٬ ابرخازن ها زمانی که حد ظرفیتشان پر میشود٬ شارژ کردن را متوقف میکنند٬ که نیاز به واحدهای تشخیصی برای جلوگیری از شارژ بیش از حد را رفع میکند. جدای از چگالی توان عالی٬ یک ابرخازن بازده چرخه بالایی دارد و در طول عمرش میتواند میلیونها چرخه شارژ را طی کند.
هرچند چگالی انرژی پایین و تحمل ولتاژ پایین کارایی یک خازن دولایه به عنوان یک واحد ذخیره ساز محدود میکند٬ مگراینکه به صورت سریال به یک گروه از خازنها متصل شده باشد. ازاین گذشته٬ روش دشارژ خطی ابرخازن معمولا از رسیدن به شارژ کامل جلوگیری میکند که منجر به اتلاف انرژی کم اما زیانبار میشود. نرخ بالای دشارژ خودی (اتلاف انرژی ناشی از واکنش های شیمیایی داخلی) هم یک مساله مشابه است. کنترل کننده های ابرخازن و تجهیزات کلیدزنی الکترونیکی هم میتوانند پیچیده باشند که نیازمند کارگرانی با مهارتهای تخصصی است.
صنایعی که از ابرخازنها استفاده می کنند
با اینکه در ابتدا به عنوان دستگاه های راه انداز برای موتورهای ریلی و مخزنی استفاده میشدند٬ در حال حاضر٬ ابرخازن ها در وسایل خانگی یافت میشوند. هرچند٬ یک بازار در حال رشد برای این محصول در صنعت حمل و نقل وجود دارد. بسیاری از کارخانه های خودرو از خازن دو لایه برای محافظت قطعات خاصی از موتور در برابر نوسانات ولتاژ استفاده میکنند. ابرخازن ها به خاطر نرخ شارژ سریعی که دارند برای مکانیسم های ترمز ترانزیت جمعی و سلولهای سوختی قابل حمل برای خودروهای هیبریدی/الکتریکی کارآمد هستند.
ابر خازن ها همچنین به عنوان پشتیبان از باتری های اصلی به منظور اتصال کوتاه قطعی برق یا صاف کردن جریان الکتریکی عمل می کنند. اگر ابرخازن موازی یک ترمینال باتری نصب شود٬ میتواند منبع تغذیه باتری را تقویت کند. این تقویت میتواند عملکرد را در دوره هایی که تقاضا افزایش مییابد افزایش داده و به حفظ سطح ثابت خروجی الکتریکی کمک کند.
آینده ابرخازنها
درحالیکه ابرخازن های امروزی گستره کاربردی محدودی دارند٬ پیشرفت در طراحی میتواند کاربری محصولات را توسعه دهد. برای مثال٬ محققان در حال توسعه و آزمایش با صورتهای جدیدتری از مواد دی الکتریک٬ مانند نانولوله های کربنی٬ پلیپرول و باریوم تیتانات هستند که ممکن است ظرفیت خازنی و چگالی انرژی را بهبود بخشند.مفهوم ترکیب ابرخازن ها با منابع انرژی جایگزین برای جایگزینی باتری خودرو در جنبش سبز فعلی به موضوع جذابی تبدیل شده است و بسیاری از سیستم های حمل و نقل عمومی آزمایشاتی را برای اتوبوسها و قطارهای خازنی ایجاد کردهاند. اگر این طرحها به نتایج موفقی دست یابند٬ خازن دولایه الکتریکی ممکن است به کارایی بیشتری دست یابد و نقش بیشتری در صنعت انرژی ایفا کند.
برای خواندن مطالب بیشتر در این زمینه میتوانید مقالات انواع اختلالات مربوط به منابع تغذيه و انواع ترموستات و نحوه کارکرد آن‌ها را مطالعه کنید .
همچنین میتوانید مارا در شبکه اجتماعی لینکدین همراهی کنید.
