خانه » مفاهیم پایه الکترونیک » ابر خازن‌ ها

ابر خازن‌ ها

بازدید: 959

000

ابر خازن‌ ها

بازدید: 959

ابر خازن‌ها دستگاه‌های ذخیره انرژی الکتریکی هستند که توانایی ذخیره مقدار زیادی بار الکتریکی را دارند.

برخلاف مقاومت، که انرژی را به صورت گرما پراکنده می‌کند ، خازن ایده‌آل انرژی خود را از دست نمی‌دهد. همچنین دیدیم که ساده‌ترین شکل خازن، دو صفحه فلزی رسانای موازی است که توسط ماده‌ای عایق مانند هوا، میکا، کاغذ، سرامیک و غیره، که دی‌الکتریک نامیده می‌شود، در فاصله «d» از هم جدا شده‌اند.

خازن‌ها در نتیجه توانایی خود در ذخیره بار، انرژی را ذخیره می‌کنند و مقدار بار ذخیره شده در خازن به ولتاژ (V) اعمال شده به آن بستگی دارد؛ هرچه ولتاژ بیشتر باشد، بار بیشتری توسط خازن ذخیره می‌شود، چراکه: Q∝V.

همچنین، خازن دارای یک ثابت تناسب به نام ظرفیت (با نماد C) است که نشان دهنده توانایی یا ظرفیت خازن در ذخیره بار الکتریکی است. مقدار بار به ظرفیت خازن بستگی دارد، چراکه: Q∝C.

 

پس می‌توانیم ببینیم که بین بار (Q)، ولتاژ (V) و ظرفیت (C) رابطه‌ای وجود دارد؛ هرچه ظرفیت خازنی بیشتر باشد، مقدار بار ذخیره شده در خازن به ازای همان ولتاژ، بیشتر است. می‌توانیم این رابطه را برای یک خازن، این گونه تعریف کنیم:

1. یک ابر خازن معمولی

بار خازن

که در آن: Q (بار به کولن) = C (ظرفیت به فاراد) ضرب در V (ولتاژ به ولت)

واحد ظرفیت، کولن بر ولت است که به آن فاراد (F) نیز گفته می‌شود (به نام مایکل فارادی). یک فاراد به عنوان ظرفیت خازنی تعریف می‌شود که برای ایجاد اختلاف پتانسیل یک ولت بین صفحات خود به یک کولن بار نیاز دارد.

اما ابعاد یک خازن معمولی با ظرفیت یک فاراد برای اکثر کاربردهای الکترونیکی بسیار بزرگ است، از این رو معمولا واحدهای بسیار کوچک‌تری مانند میکرو فاراد (μF) ، نانو فاراد (nF) و پیکو فاراد (pF) استفاده می‌شوند، به طوری که:

با این وجود، نوع دیگری از خازن‌ها وجود دارد که ابر خازن یا سوپر خازن نامیده می‌شود و می‌تواند مقادیری از چند میلی فاراد (mF) تا ده‌ها فاراد ظرفیت را در اندازه بسیار کوچک فراهم کند و انرژی الکتریکی بیشتری بین صفحات آن ذخیره می‌شود.

در مقاله ظرفیت و بار دیدیم که انرژی ذخیره شده در یک خازن با معادله زیر به دست می‌آید:

که در آن: E انرژی ذخیره شده در میدان الکتریکی با واحد ژول، V اختلاف پتانسیل بین صفحات و C ظرفیت خازن به فاراد است که به صورت زیر تعریف می‌شود:

که در آن: ε گذر دهی ماده بین صفحات، A مساحت صفحات و d فاصله بین آنها است.

ابر خازن‌ها نوع دیگری از خازن هستند که به گونه‌ای ساخته می‌شوند که دارای صفحات رسانای بزرگ به نام الکترود (با مساحت A) و همچنین فاصله (d) بسیار کمی بین آنها هستند. برخلاف خازن‌های معمولی که از ماده دی‌الکتریک جامد و خشک مانند تفلون، پلی اتیلن، کاغذ و غیره استفاده می‌کنند، ابر خازن از الکترولیت مایع یا مرطوب بین الکترودهای خود استفاده می‌کند که آن را بیشتر به یک دستگاه الکتروشیمیایی مشابه خازن الکترولیتی تبدیل می‌کند.

گرچه ابر خازن نوعی دستگاه الکتروشیمیایی است، اما هیچ واکنش شیمیایی در ذخیره انرژی الکتریکی آن دخیل نیست. این بدان معنی است که ابر خازن فوق العاده عملا یک دستگاه الکترواستاتیک است که همانطور که نشان داده شده، انرژی الکتریکی را به شکل یک میدان الکتریکی بین دو الکترود رسانای خود ذخیره می‌کند.

ساختار ابر خازن

2. ساختار ابر خازن

الکترودهای روکش‌دار دو طرفه از گرافیت کربن به شکل کربن رسانای فعال، نانو لوله‌های کربنی یا ژل‌های کربنی ساخته می‌شوند. یک غشای کاغذی متخلخل به نام جدا کننده، الکترودها را از هم جدا نگه می‌دارد اما اجازه می‌دهد که یون‌های مثبت از آن عبور کنند، در حالی که از عبور الکترون‌های بزرگتر جلوگیری می‌کند. کاغذ جدا کننده و الکترودهای کربنی به الکترولیت مایع آغشته می‌شوند و یک ورق آلومینیومی بین آنها قرار می‌گیرد تا به عنوان جمع کننده جریان عمل کند و یک اتصال برقی به پایه‌های ابر خازن ایجاد می‌کند.

ساختار دو لایه الکترودهای کربنی و جدا کننده ممکن است بسیار نازک باشد، اما سطح موثر آنها در هنگام جمع شدن به هزاران متر مربع می‌رسد. پس برای افزایش ظرفیت ابر خازن، بدیهی است که نیاز به افزایش سطح تماس (A، به m2) بدون افزایش اندازه فیزیکی آن داریم، یا از نوع خاصی از الکترولیت برای افزایش یون‌های مثبت موجود برای افزایش رسانایی استفاده کنیم.

پس ابر خازن‌ها به دلیل داشتن مقدار زیاد ظرفیت خازنی تا صدها فاراد، دستگاه‌های ذخیره انرژی بسیار خوبی هستند. ظرفیت بالای این خازن‌ها، خود به دلیل فاصله (d) بسیار کم بین صفحات و مساحت (A) زیاد الکترودها است، که باعث ایجاد یک لایه از یون‌های الکترولیتی می‌شود و همه اینها، با هم دو لایه تشکیل می‌دهند. این ساختار عملا دو خازن ایجاد می‌کند ، یکی در هر الکترود کربنی که دو خازن را به صورت سری تشکیل می‌دهد و به ابر خازن نام دوم «خازن دو لایه» می‌دهد.

با این حال، مشکل این اندازه کوچک آن است که ولتاژ دو سر خازن تنها می‌تواند بسیار کم باشد، زیرا ولتاژ نامی سلول ابر خازن عمدتا توسط ولتاژ تجزیه الکترولیت تعیین می‌شود. پس یک سلول خازنی معمولی، بسته به الکترولیت مورد استفاده، ولتاژ کاری بین 1V تا 3V دارد، که مقدار انرژی الکتریکی ذخیره شده را محدود می‌کند.

برای ذخیره بار در ولتاژ مناسب، ابر خازن‌ها باید به صورت سری متصل شوند. برخلاف خازن‌های الکترولیتی و الکترواستاتیک، ابر خازن‌ها با ولتاژ ترمینال پایین خود مشخص می‌شوند. به منظور افزایش ولتاژ ترمینال نامی آنها به ده‌ها ولت، همانطور که نشان داده شده، سلول‌های ابر خازنی باید به صورت سری یا موازی متصل شوند تا مقادیر ظرفیت بیشتری داشته باشند.

افزایش مقدار یک ابر خازن

3. افزایش مقدار یک ابر خازن

در شکل بالا: VCELL ولتاژ یک سلول و CCELL ظرفیت یک سلول است.

از آنجا که ولتاژ هر سلول خازن در حدود 3.0V است، اتصال سلول‌های خازنی بیشتر به صورت سری باعث افزایش ولتاژ می‌شود. در حالی که اتصال سلول‌های خازنی بیشتر به صورت موازی باعث افزایش ظرفیت آن می‌شود. پس می‌توانیم ولتاژ کل و ظرفیت کل یک بانک ابر خازن را به صورت زیر تعریف کنیم:

که در آن: M تعداد ستون‌ها و N تعداد سطرها است. همچنین توجه داشته باشید که مانند باتری‌ها، ابر خازن‌ها و سوپر خازن‌ها دارای یک پلاریته معین هستند و ترمینال مثبت بر روی بدنه خازن مشخص شده است.

ابر خازن، مثال 1

یک ابر خازن 5.5V و 1.5F به عنوان یک دستگاه پشتیبان ذخیره انرژی برای یک مدار الکترونیکی مورد نیاز است. اگر ابر خازن از سلول‌های 2.75V و 0.5F تشکیل شود، تعداد سلول‌های مورد نیاز و طرح آرایه آنها را به دست آورید.

بنابراین دو سلول خازنی 2.75V باید به صورت سری متصل شوند تا 5.5V مورد نیاز را تامین کنند.

پس آرایه سلول‌ها در مجموع دارای شش ستون مجزا خواهد بود که متشکل از دو ردیف شش‌تایی است و در نتیجه، همانطور که نشان داده شده، یک ابر خازن با آرایش 6×2 شکل می‌گیرد.

آرایه ابر خازن 6×2

4. آرایه ابر خازن 6×2

انرژی ابر خازن

همانند همه خازن‌ها، ابر خازن یک وسیله ذخیره انرژی است. انرژی الکتریکی به شکل بار در میدان الکتریکی بین صفحات ذخیره می‌شود و در نتیجه این انرژی ذخیره شده، یک اختلاف پتانسیل، یعنی یک ولتاژ، بین دو صفحه وجود دارد. در هنگام شارژ (حرکت جریان از منبع تغذیه به ابر خازن)، انرژی الکتریکی بین صفحات آن ذخیره می‌شود.

پس از شارژ شدن ابر خازن، جریان کشیده شده از منبع متوقف می‌شود و ولتاژ ترمینال‌های ابر خازن برابر با ولتاژ منبع تغذیه است. در نتیجه، یک ابر خازن شارژ شده، حتی اگر از منبع تغذیه جدا شود، این انرژی الکتریکی را تا زمانی که نیاز شود در خود نگه می‌دارد و به عنوان دستگاه ذخیره انرژی عمل می‌کند.

هنگام دشارژ (خروج جریان)، ابر خازن این انرژی ذخیره شده را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند تا بار متصل شده را تغذیه کند. پس یک ابر خازن انرژی مصرف نمی‌کند، بلکه آن را ذخیره کرده و در صورت نیاز رها می‌کند. مقدار انرژی ذخیره شده در ابر خازن مقدار ظرفیت آن متناسب است.

همانطور که قبلا ذکر شد، مقدار انرژی ذخیره شده با ظرفیت (C) و مربع ولتاژ  دو سر آن (V2) متناسب است، به طوری که:

که در آن: E انرژی ذخیره شده به ژول (J) است. پس در مثال ابر خازن بالا، مقدار انرژی ذخیره شده توسط آرایه به شرح زیر است:

پس حداکثر مقدار انرژی قابل ذخیره توسط ابر خازن 22.7J است که در اصل از منبع تغذیه 5.5V تامین می‌شد. این انرژی ذخیره شده به شکل بار الکتریکی در دی‌الکتریک الکترولیتی در دسترس است و هنگامی که به یک بار متصل می‌شود، کل 22.69J انرژی ابر خازن به شکل جریان الکتریکی در دسترس قرار می‌گیرد. بدیهی است که وقتی خازن کاملا دشارژ می‌شود، انرژی ذخیره شده صفر است.

پس می‌توانیم ببینیم که یک ابر خازن ایده‌آل انرژی را مصرف یا اتلاف نمی‌کند، بلکه آن را از یک مدار شارژ خارجی برای ذخیره کردن در میدان الکترولیت خود می‌گیرد و سپس هنگام تغذیه بار، این انرژی ذخیره شده را پس می‌دهد.

در مثال ساده بالا، انرژی ذخیره شده توسط ابر خازن حدود 23J بود، اما با مقادیر ظرفیت زیاد و ولتاژ نامی بالاتر، تراکم انرژی ابر خازن‌ها می‌تواند بسیار زیاد باشد و آنها را به دستگاه‌های ذخیره انرژی ایده‌آل تبدیل کند.

در حقیقت، ابر خازن‌هایی با درجه بندی هزاران فاراد و صدها ولت اکنون در وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی (از جمله مسابقات فرمولا 1) به عنوان دستگاه‌های ذخیره انرژی حالت جامد برای سیستم های ترمز احیا شونده استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند در حین ترمز کردن و شتاب گرفتن، به سرعت انرژی را توزیع کرده و دریافت کنند. از ابر خازن‌ها و سوپر خازن‌ها در سیستم‌های انرژی تجدید پذیر نیز برای جایگزین کردن باتری‌های اسید سرب استفاده می‌شود.

خلاصه ابر خازن

دیدیم که ابر خازن یک وسیله الکتروشیمیایی متشکل از دو الکترود متخلخل است که معمولا از کربن فعال آغشته به محلول الکترولیت ساخته می‌شود و بار الکتریکی را به صورت الکترواستاتیک ذخیره می‌کند. این آرایش عملا دو خازن، یکی در هر الکترود کربن ایجاد می‌کند که به صورت سری به هم متصل شده‌اند.

ابر خازن با ظرفیت‌های صدها فاراد در اندازه فیزیکی بسیار کوچک در دسترس است و می‌تواند تراکم انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتری‌ها داشته باشد. با این حال، ولتاژ نامی ابر خازن معمولا کمتر از حدود 3V است، بنابراین چندین خازن باید به صورت سری و موازی به هم متصل شوند تا ولتاژ مفیدی را فراهم کنند.

ابر خازن‌ها می‌توانند به عنوان دستگاه‌های ذخیره انرژی مشابه باتری استفاده شوند و در واقع به عنوان باتری‌های ابر خازنی دسته بندی می‌شوند. اما برخلاف باتری، ابر خازن‌ها می‌توانند در مدت زمان کوتاه‌تری به تراکم قدرت بسیار بالاتری دست پیدا کنند. همچنین، به دلیل توانایی دشارژ سریع ولتاژهای بالا و سپس شارژ مجدد آنها برای چرخه بعدی، در حال حاضر در بسیاری از وسایل نقلیه هیبریدی بنزینی و همچنین پیل‌های سوختی، از ابر خازن‌ها استفاده می‌شود. با استفاده از ابر خازن‌ها همراه با پیل‌های سوختی متداول و باتری‌های خودرو، می‌توان پیک تقاضای برق و تغییرات گذرا در شرایط بار را بسیار موثرتر کنترل کرد.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 15 نظر

ابر خازن‌ ها

با ثبت نظر و نوشتن کامنت، تیم ما را در راستای بهبود و افزایش کیفیت محتوا یاری خواهید کرد :)

فهرست مطالب

مقالات مرتبط

مشاهده محصولات

بروزترین مقالات

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

2 + 5 =

فروشگاه