ابر خازن 

ابر خازن دستگاه های ذخیره انرژی الکتریکی هستند که توانایی ذخیره مقدار زیادی بار الکتریکی را دارند.

برخلاف مقاومت‌، که انرژی را به صورت گرما پراکنده می‌کند‌، خازن ایده آل انرژی خود را از دست نمی‌دهد.

همچنین دیدیم که ساده ترین شکل خازن دو صفحه فلزی رسانای موازی است که توسط ماده ای عایق مانند هوا ، میکا ، کاغذ ، سرامیک و غیره از هم جدا شده و دی الکتریک را از راه دور “d” می نامند.

خازن ها انرژی را ذخیره می کنند در نتیجه توانایی ذخیره شارژ با مقدار شارژ ذخیره شده روی خازن بسته به ولتاژ ، V در صفحات آن اعمال می شود و هرچه ولتاژ بیشتر باشد ، شارژ بیشتری توسط خازن ذخیره می شود به عنوان: Q ∞ V.

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

سپس می توانیم ببینیم که بین شارژ ، Q ، ولتاژ V و خازن C رابطه ای وجود دارد.

هرچه خازن بزرگتر باشد ، مقدار شارژ ذخیره شده روی خازن برای همان ولتاژ بیشتر است.

می توانیم این رابطه را تعریف کنیم برای یک خازن به عنوان:

شارژ خازن

در اینجا :

Q (Charge, in Coulombs) = C (Capacitance, in Farads) times V (Voltage, in Volts)

واحد خازن کولن / ولت است که به آن فاراد (F) نیز گفته می شود [به نام م. فارادی].

با یک‌فاراد به‌عنوان خازن تعریف می‌شود که برای ایجاد اختلاف‌پتانسیل به 1 کولن نیاز‌دارد. بین دو‌صفحه آن 1 ولت است.

اما یک خازن فراد معمولی برای اکثر کاربردهای الکترونیکی بسیار بزرگ است ، از این رو واحدهای بسیار کوچکتری مانند میکرو فاراد (μF) ، نانو فاراد (nF) و پیکوفاراد (pF) معمولاً در موارد زیر استفاده می شوند:

Microfarad  (μF)   1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10^-6 F

Nanofarad  (nF)   1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10^-9 F

Picofarad  (pF)   1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10^-12 F

با این وجود ، نوع دیگری از خازن ها وجود دارد که Ultracapacitor یا Supacapacitor نامیده می شود.

می تواند مقادیری از چند میلی فاراد (mF) تا ده فاراد خازن را در اندازه بسیار کوچک فراهم کند و باعث می شود انرژی الکتریکی بیشتری بین آنها ذخیره شود.

در آموزش ما درباره ظرفیت و شارژ دیدیم که انرژی ذخیره شده در یک خازن توسط معادله داده می شود:

در اینجا:

E انرژی ذخیره شده در میدان الکتریکی در ژول است‌، V اختلاف پتانسیل بین‌صفحات و C ظرفیت‌خازن در فاراد است.

به صورت زیر تعریف می شود:

در اینجا: ε میزان مجاز پذیری مواد بین صفحات است ، A مساحت صفحات است و d جدایی صفحات است.

خازن های فرعی نوع دیگری از خازن ها هستند که به گونه ای ساخته شده اند که دارای یک صفحه رسانای بزرگ به نام الکترود ، سطح (A) و همچنین فاصله بسیار کمی (d) بین آنها هستند.

برخلاف خازن های معمولی که از ماده دی‌الکتریک جامد و خشک مانند تفلون‌، پلی اتیلن‌، کاغذ و‌غیره استفاده می‌کنند.

ابر خازن از الکترولیت مایع یا مرطوب بین الکترودهای خود استفاده می کند و آن را بیشتر به یک وسیله الکتروشیمیایی شبیه خازن الکترولیتی تبدیل می کند.

گرچه ابر خازن نوعی دستگاه الکتروشیمیایی است ، اما هیچ واکنش شیمیایی در ذخیره انرژی الکتریکی آن دخیل نیست.

این بدان معنی است که خازن فوق العاده بطور موثری یک دستگاه الکترواستاتیک است.

که انرژی الکتریکی خود را به صورت یک میدان الکتریکی بین دو الکترود رسانای خود ذخیره می کند.

ساختار ابر خازن 

الکترودهای روکش‌دار دو‌طرفه از کربن گرافیت به شکل کربن رسانای فعال‌، نانولوله های کربنی یا ژل های کربن ساخته شده‌اند.

یک غشا paper کاغذی متخلخل به نام جدا کننده ، الکترودها را از هم جدا نگه می دارد.

اما باعث می شود یون مثبت از طریق عبور الکترون های بزرگتر از آن عبور کند.

الکترودهای جدا کننده کاغذ و کربن با الکترولیت مایع با یک ورق آلومینیوم که در این دو مورد استفاده می شود ، آغشته می شوند تا به عنوان جمع کننده فعلی که برق را به زبانه های لحیم کاری ابر خازن ها متصل می کند ، عمل کنند.

ساختار دو لایه الکترودهای کربنی و جدا‌کننده ممکن‌است بسیار نازک‌باشد اما سطح‌موثر آنها در هنگام جمع‌شدن به هزاران متر مربع‌می‌رسد.

سپس برای افزایش ظرفیت ابر خازن ، بدیهی است که ما نیاز به افزایش سطح تماس ، A (در متر مربع) بدون افزایش اندازه فیزیکی خازن ها ، یا استفاده از نوع خاصی از الکترولیت برای افزایش مثبت موجود یونها برای افزایش رسانایی.

سپس ابر خازن بخاطر داشتن مقدار زیاد ظرفیت خازنی تا صدها فاراد ، به دلیل فاصله بسیار کم d یا جدا شدن صفحات آنها و سطح بالای الکترودهای A برای تشکیل در سطح یک ، دستگاه های ذخیره انرژی بسیار خوبی تولید می کنند.

لایه ای از یونهای الکترولیتی تشکیل یک لایه دوتایی.

این ساختار به طور موثر دو خازن ایجاد می کند:

یکی در هر‌الکترود کربن‌، و به ابر خازن نام دوم‌”خازن دو لایه” می‌دهد که دو‌خازن را به‌صورت سری تشکیل می‌دهد.

با این حال ، مشکل این اندازه کوچک این است که ولتاژ روی خازن تنها می تواند بسیار کم باشد.

 زیرا ولتاژ نامی سلول فوق خازن عمدتا توسط ولتاژ تجزیه الکترولیت تعیین می شود.

سپس یک سلول خازنی معمولی ، بسته به الکترولیت مورد استفاده ، ولتاژ کاری بین 1 تا 3 ولت دارد که می تواند میزان انرژی الکتریکی را که می تواند ذخیره کند ، محدود کند.

برای ذخیره شارژ در ولتاژ مناسب ، خازن های خازنی باید به صورت سری متصل شوند.

برخلاف خازن های الکترولیتی و الکترواستاتیک ، خازن های فوق العاده با ولتاژ ترمینال پایین مشخص می شوند.

برای افزایش ولتاژ ترمینال به ده ولت ، سلولهای فوق خازنی باید به صورت سری یا به طور موازی متصل شوند تا مقادیر خازنی بالاتر همانطور که نشان داده شده است.

افزایش ارزش ابر خازن 

 V_CELL is the voltage of one cell, and C_CELL is the capacitance of one cell

از آنجا که ولتاژ هر سلول‌خازن در حدود 3.0 ولت است‌، اتصال سلولهای خازن بیشتر به‌صورت سری باعث افزایش‌ولتاژ می‌شود.

در حالی که اتصال سلولهای خازن بیشتر به صورت موازی باعث افزایش ظرفیت آن می شود.

سپس می توانیم ولتاژ کل و ظرفیت کل یک بانک فوق خازن را به صورت زیر تعریف کنیم:

در اینجا M تعداد ستون ها و N تعداد سطرها است.

همچنین توجه‌داشته‌باشید که مانند باتری‌ها‌، ابر ‌خازن‌ ها و ابرخازن ها دارای قطبیت مشخص‌شده با ترمینال‌مثبت است که روی بدنه خازن مشخص‌شده‌است.

مثال شماره 1 خازن فوق العاده

یک ابر خازن 5.5 ولتی ، 1.5 فارادی به عنوان یک دستگاه پشتیبان ذخیره انرژی برای یک مدار الکترونیکی مورد‌نیاز‌است.

اگر قرار‌است خازن فوقانی از سلولهای‌2.75v ، 0.5F منفرد ساخته‌شود‌، تعداد سلول های‌مورد نیاز و طرح آرایه را محاسبه‌ کنید.

بنابراین‌آرایه دارای دو‌سلول خازن ولتاژ 2.75 ولت هر کدام به‌صورت سری متصل است تا 5.5 ولت مورد نیاز را تأمین‌کند.

سپس آرایه در مجموع دارای شش ستون جداگانه خواهد بود که متشکل از دو ردیف شش تایی است.

در نتیجه یک خازن فوق العاده با آرایه ای در ابعاد 2*6 تشکیل داده است.

آرایه ابر خازن 6 × 2

انرژی الترا خازن 

همانند همه خازن ها ، یک الترا خازن یک وسیله ذخیره انرژی است.

انرژی الکتریکی به عنوان بار در میدان الکتریکی بین صفحات خود ذخیره می شود و در نتیجه این انرژی ذخیره شده ، یک اختلاف پتانسیل ، یعنی یک ولتاژ ، بین دو صفحه وجود دارد.

در هنگام شارژ (جریان از طریق خازن فوق العاده از منبع متصل می شود)‌، انرژی الکتریکی بین صفحات آن ذخیره‌می‌شود.

پس از شارژ خازن فوق‌، جریان جاری از منبع متوقف می‌شود و ولتاژ‌ترمینال فوق خازن‌ها برابر با ولتاژ منبع‌تغذیه است.

در نتیجه ، یک الترا خازن شارژ شده این انرژی الکتریکی را ذخیره می کند.

حتی اگر از منبع تغذیه ولتاژ خارج شود تا زمانی که به عنوان یک وسیله ذخیره انرژی عمل کند.

هنگام تخلیه‌(جریان خارج شده)‌، خازن فوقانی این انرژی ذخیره‌شده را به انرژی‌الکتریکی تبدیل می‌کند تا بار متصل شده را تأمین‌کند.

در این صورت یک ابر خازن هیچ انرژی مصرف نمی کند بلکه در عوض انرژی الکتریکی را ذخیره می کند.

و مقدار انرژی ذخیره شده در ابرخازن متناسب با مقدار ظرفیت خازن را ذخیره می کند.

همانطور که قبلاً ذکر شد‌، مقدار انرژی ذخیره‌شده متناسب با ظرفیت C و مربع ولتاژ V در ترمینالهای آن است.

در اینجا: E انرژی ذخیره شده در ژول است.

سپس برای مثال فوق خازن ما ، مقدار انرژی ذخیره شده توسط آرایه به شرح زیر است:

سپس حداکثر انرژی که می تواند توسط ابر خازن ما ذخیره شود ، 22.7 ژول است که در اصل از طریق منبع تغذیه 5.5 ولت تأمین می شد. این انرژی ذخیره شده به عنوان بار در دی الکترولیت الکترولیت در دسترس است و هنگامی که به یک بار متصل می شود ، خازن های فرعی کل 69/22 ژول انرژی به عنوان جریان الکتریکی در دسترس قرار می گیرند. بدیهی است که وقتی خازن کامل تخلیه می شود ، انرژی ذخیره شده صفر است.

سپس می توانیم ببینیم که یک خازن ایده آل انرژی را مصرف یا اتلاف نمی کند ، بلکه در عوض از یک مدار شارژ خارجی برای ذخیره انرژی در میدان الکترولیت خود نیرو می گیرد و سپس هنگام انتقال نیرو به یک بار ، این انرژی ذخیره شده را پس می دهد.

در مثال ساده ما در بالا ، انرژی ذخیره شده توسط فوق خازن حدود 23 ژول بود ، اما با مقادیر خازنی زیاد و رتبه بندی ولتاژ بالاتر ، چگالی انرژی ابر خازن ها می تواند بسیار زیاد باشد و آنها را به عنوان دستگاه های ذخیره انرژی ایده آل کند.

در حقیقت ، ابر خازن های با رتبه بندی هزاران فاراد و صدها ولت اکنون در وسایل نقلیه الکتریکی ترکیبی (از جمله فرمول 1) به عنوان دستگاه های ذخیره انرژی حالت جامد برای سیستم های ترمز احیا شده استفاده می شوند ، زیرا آنها می توانند به سرعت در هنگام ترمز دادن و دریافت انرژی را انجام دهند. شتاب دادن پس از آن. از خازن های فوق العاده و فوق العاده نیز در سیستم های انرژی تجدید پذیر برای جایگزینی باتری های اسید سرب استفاده می شود.

خلاصه الترا خازن 

ما دیده ایم که الترا خازن یک وسیله الکتروشیمیایی متشکل از دو الکترود متخلخل است که معمولاً از کربن فعال غوطه ور در یک محلول الکترولیت ساخته شده است که شارژ را به صورت الکترواستاتیکی ذخیره می کند.

این آرایش به طور موثر دو خازن ایجاد می‌کند‌، یکی در هر الکترود کربن‌، به‌طور سری به هم متصل می‌شوند.

ابر خازن با ظرفیت های صدها فارادی در اندازه فیزیکی بسیار کوچک در دسترس است و می تواند به چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتری ها دست یابد.

با این حال ، میزان ولتاژ یک ابر خازن معمولاً کمتر از حدود 3 ولت است.

بنابراین چندین خازن باید به صورت سری و ترکیب موازی متصل شوند تا ولتاژ مفیدی را فراهم کنند.

خازن های فوق العاده می توانند به عنوان دستگاه های ذخیره انرژی مشابه باتری استفاده شوند و در واقع در دسته باتری های فوق خازنی قرار می گیرند.

اما برخلاف باتری ، آنها می توانند برای مدت زمان کوتاه تراکم برق بسیار بالاتری را کسب کنند.

از آنجا که توانایی تخلیه سریع ولتاژهای بالا و سپس شارژ مجدد آنها وجود دارد ، در بسیاری از وسایل نقلیه هیبریدی بنزینی و وسایل نقلیه الکتریکی محرک سلول سوختی مورد استفاده قرار می گیرند.

اما با کارکردن خازن های فرعی با پیل های سوختی و باتری ها ، اوج تقاضا در مصرف برق وجود دارد و می توان تغییرات بار گذرا را با کارایی بیشتری کنترل کرد.