انواع ابر خازن

حتی اگر تصور می کنید الکتریسیته نقش مهمی در زندگی ما ایفا می کند، هنوز چیزی از اهمیت آن نمی دانید. در چند دهه آینده، ماشین هایی که با سوخت فسیلی کار می کنند و همچنین سیستم های گرمایش منازل بایستی به حالت برقی تغییر کنند، اگر امیدوار هستیم که جلوی تغییرات آب و هوایی وحشتناک را بگیریم. شرکت سنا برق توان که بزرگترین سایت خرید درایو آسانسور در ایران می باشد، قصد دارد در این مقاله به سوال ابر خازن ها چه هستند و چگونه کار می‌کنند؟ پاسخ خواهد داد. پس با ما همراه باشید و بیایید نگاه دقیق تری به آنها داشته باشیم.

الکتریسیته نوعی از انرژی است که کاربردهای بسیاری دارد ولی یک ایراد بزرگ دارد آن هم این است که نمی توان آن را به سرعت در جایی ذخیره کرد. باتری ها می توانند الکتریسیته را در حجم زیاد ذخیره کنند ولی ساعت ها زمان می برد تا مجددا شارژ شوند. از سوی دیگر، خازن ها تقریبا سریع شارژ می شوند ولی قادر به ذخیره مقدار اندکی الکتریسیته هستند.

در دنیای برق محور ما در آینده زمانی که نیاز داریم الکتریسیته را در مقادیر زیاد ذخیره و رها سازیم احتمالا بایستی از ابر خازن ها استفاده کنیم که بهترین ویژگی های باتری ها و خازن ها را با هم ترکیب کرده اند.

 

چگونه می توان بار الکتریکی را ذخیره کرد؟

باتری ها و خازن ها کار مشابهی انجام می دهند می- ذخیره الکتریسیته – ولی به روش هایی کاملا متفاوت. باتری ها دارای دو پایانه الکتریکی (الکترود) هستند که به وسیله یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت از هم جدا می شوند. زمانیکه باتری به یک مدار وصل شده و دکمه روشن مدار را فشار می دهید، واکنش هایی شیمیایی هم در الکترودها و هم در الکترولیت رخ می‌دهد.

این واکنش ها مواد شیمیایی موجود در باتری را به مواد دیگری تبدیل می کنند و در طی این فرآیند انرژی الکتریکی آزاد می‌کنند. زمانیکه تمام این مواد شیمیایی به اتمام می رسد، واکنش ها پایان می یابد و باتری اصطلاحا تمام می شود. در باتری های قابل شارژ، مانند باتری های یون لیتیوم که در لپ تاپ، کامپیوتر و پخش کننده MP3 به کار می روند، واکنش ها در هر دو جهت به آسانی انجام می شوند. بنابراین می توانید پیش از آنکه باتری نیاز به تعویض پیدا کند، صد ها بار باتری را شارژ و یا شارژ آن را تخلیه کنید.

 

 

 

عکس: یک خازن معمولی در مدار الکتریکی که به اندازه کسری از انرژی یک باتری را ذخیره می کند ولی به دفعات نامحدود فورا شارژ می شود و شارژ آن تخلیه می گردد. بر خلاف باتری ها، بارهای مثبت و منفی در خازن ها کاملا توسط الکتریسیته ساکن ایجاد می شوند و هیچ نوع واکنش شیمیایی در کار نیست.

خازن ها به جای واکنش های شیمیایی از الکتریسیته ساکن (الکترواستاتیک) برای ذخیره انرژی استفاده می کنند. در داخل هر خازن، دو صفحه فلزی رسانا وجود دارد که ماده عایقی به نام دی الکتریک بین آن دو قرار گرفته است. اگر ساندویچ دوست دارید می توانید آن را یک ساندویچ دی الکتریک در نظر بگیرید!

شارژ کردن یک خازن کمی به مالش بادکنک روی بلوز برای چسباندن آن شباهت دارد. بارهای مثبت و منفی در صفحه ها ایجاد می شوند و عایقی که بین آن دو قرار گرفته است و مانع تماس آنها می شود، در واقع همان چیزیست که انرژی را ذخیره می‌کند. دی الکتریک به یک خازن با اندازه مشخص اجازه می دهد که در ولتاژ یکسان شارژ بیشتری را نگه دارد. بنابراین می‌توان گفت که دی الکتریک خازن را به یک وسیله ذخیره انرژی کارآمدتر تبدیل می کند.

 

مزیت خازن نسبت به باتری

سبک تر هستند، عموما فاقد مواد شیمیایی مضر و یا فلزهای سمی هستند و بی نهایت بار شارژ و تخلیه می شوند بدون اینکه حتی فرسوده شوند.

 

معایب خازن

طراحی اصلی آنها به گونه ای است که مانع می شود توانایی ذخیره همان مقدار انرژی الکتریکی که باتری ذخیره می کند را داشته باشند.

 

آیا می توان کاری در این مورد انجام داد؟

به طور کلی می توان ظرفیت ذخیره یک خازن را به دو طریق افزایش داد:

1. استفاده از ماده ای بهتر به عنوان دی الکتریک
2. استفاده از صفحات فلزی بزرگ تر

 

 

 

برای ذخیره مقدار زیادی از انرژی قطعا به صفحات عظیمی نیاز خواهد بود. برای مثال، ابرهای صاعقه دار خازن های فوق العاده غول آسایی هستند که مقادیر عظیمی از انرژی را ذخیره می کنند و همه می دانیم که چه اندازه بزرگ هستند! چه طور با بهبود کیفیت دی الکتریکی که بین دو صفحه قرار می گیرد ظرفیت خازن را بالا ببریم؟ بررسی این گزینه به تولید ابر خازن ها توسط دانشمندان در اواسط قرن بیستم انجامید.

باتری ها گزینه خوبی برای ذخیره مقادیر زیاد انرژی در فضای نسبتا کم هستند ولی وزن زیادی دارند، گران قیمت هستند، به آهستگی شارژ می شوند، طول عمر کوتاهی دارند و از مواد سمی تولید می شوند. خازن های معمولی تقریبا از هر جنبه بهتر هستند، ولی برای ذخیره مقادیر زیاد انرژی چندان مناسب نیستند.

 

ابر خازن (Supercapacitor) چیست؟

ابر خازن ها (یا خازن های فوق العاده) دارای دو تفاوت عمده با خازن های معمولی هستند. صفحات در آنها سطح بسیار بزرگتری دارند و فاصله بین آنها بسیار کمتر از خازن های معمولی است، چون نحوه عملکرد جداکننده ای که بین آن دو قرار می‌گیرد با آنچه دی اکتریک های مرسوم انجام می دهند متفاوت است.

اگرچه دو واژه ” ابر خازن ” و ” خازن فوق العاده ” (Ultracapacitor) گاهی به جای هم به کار می روند، تفاوتی بین این دو وجود دارد: معمولا از مواد متفاوت ساخته می شوند و تفاوت های ساختاری جزئی دارند. بنابراین مقادیر متفاوتی از انرژی را می توانند ذخیره کنند. برای سادگی و جلوگیری از پیچیدگی مطلب، ما فرض را بر این اساس می گذاریم که این دو خازن یکی هستند (درحالیکه همانطور که در بالا گفته شد، در واقعیت با هم یکسری تفاوت هایی دارند).

مانند خازن های معمولی، ابر خازن ها نیز دارای دو صفحه هستند که از هم جدا شده اند. صفحات از فلز ساخته شده اند و با یک ماده متخلخل مانند زغال فعال پودری پوشش داده شده اند که این پوشش تا حد زیادی فضای بیشتری برای ذخیره بار بیشتر به صفحات می دهد.

لحظه ای تصور کنید که الکتریسیته آب است و یک خازن معمولی مانند پارچه ای است که فقط می تواند مقدار کمی آب را به خود بگیرد، در صورتی که صفحات متخلخل یک ابر خازن آن را به یک اسفنج بزرگ تبدیل می کنند که می تواند چندین برابر آب بیشتری را به خود جذب کند. در واقع صفحات متخلخل ابر خازن ها اسنفج های الکتریسیته هستند.

 

جداکننده صفحات در ابر خازن ها چگونه اند؟

در خازن های معمولی، صفحات به وسیله دی الکتریکی نسبتا ضخیم از هم جدا می شوند. این جداکننده برای مثال از نوعی ماده سرامیکی به نام میکا، یک فیلم نازک پلاستیکی و یا به سادگی فقط از هوا (که در چیزی مانند یک خازن مثل تنظیم کننده رادیو عمل می کند) ساخته شده است.

زمانیکه خازن شارژ است، بارهای مثبت رو یکی از صفحات و بارهای منفی روی صفحه دیگر تشکیل می شوند و یک میدان الکتریکی بین دو صفحه شکل می گیرید. این میدان الکتریکی دی الکتریک را قطبی می کند، بنابراین مولکول های آن در جهت مخالف میدان قرار می گیرند و قدرت آن را کاهش می دهند. این بدین معناست که صفحات می توانند در یک ولتاژ مشخص بار بیشتری را نگه دارند. در تصویر ذیل، نمودار بالایی این ویژگی را به تصویر می کشد.

 

 

 

 

عکس اول: خازن های معمولی الکتریسیته ساکن را با ایجاد بارهای مخالف روی دو صفحه فلزی (آبی و قرمز) که یک ماده عایق به نام دی الکتریک (خاکستری) آنها را از هم جدا می کند، تولید می کنند. میدان الکتریکی بین دو صفحه مولکول (یا اتم)های دی الکتریک را قطبی می کند و باعث می شود در جهت مخالف میدان قرار بگیرند. این باعث کاهش قدرت میدان می شود و به خازن اجازه می دهد در یک ولتاژ مشخص بار بیشتری را نگه دارد.

عکس دوم: ابر خازن ها با ایجاد دولایه بسیار نازکی از بار بین دو صفحه می توانند انرژی بیشتری در مقایسه با خازن های معمولی ذخیره کنند. در ابر خازن ها، دو صفحه از مواد متخلخلی ساخته می شوند که معمولا از مواد بر پایه کربن ساخته می شوند و به الکترولیت آغشته هستند. صفحات سطح بسیار وسیع تر و فاصله کمتری دارند و این باعث می شود ابر خازن ها بتوانند انرژی بسیار بیشتری ذخیره کنند.

در ابر خازن ها دی الکتریک به صورتی که گفته شد، وجود ندارد. در عوض هر دو صفحه آغشته به الکترولیت هستند و با یک عایق بسیار نازک (که ممکن است از کربن، کاغذ و یا پلاستیک ساخته شده باشد) از هم جدا می شوند. زمانیکه صفحات شارژ می شوند، در هر سمت جداکننده بار مخالفی تشکیل می شود و چیزی ایجاد می شود که به آن دولایه الکتریکی گفته می‌شود. همچنین ضخامت آن ممکن است فقط یک مولکول باشد در مقایسه با دی الکتریک در خازن های معمولی که ممکن است ضخامت آن از چند میکرون تا یک میلیمتر و حتی بیشتر باشد.

به همین دلیل است که ابر خازن ها اغلب به عنوان خازن های دو لایه و همچنین خازن های دو لایه الکتریکی یا EDLC) electric double-layer capacitor) ها شناخته می شوند. اگر به نمودار پایینی در تصویر دقت کنید خواهید دید که چگونه یک ابر خازن به دو خازن معمولی که در کنار هم قرار گرفته باشند شباهت دارد.

ظرفیت یک خازن با افزایش سطح صفحات و کاهش فاصله بین آنها افزایش می یابد. به طور خلاصه، ابر خازن ها ظرفیت عظیم خود را از تلفیق سطح بسیار وسیع تر صفحات (به دلیل ساختار حاصل از وجود زغال فعال) و فاصله کمتر بین آنها (به دلیل دو لایه بسیار موثر) به دست می آورند.

اولین ابر خازن ها در اواخر دهه 1950 با استفاده از زغال فعال به عنوان صفحات ساخته شدند. پس از آن، پیشرفت های حاصل در علم مواد به ایجاد صفحات بسیار کارآمدتر از جنس موادی مانند: نانو لوله های کربنی (میله های بسیار کوچک کربنی ساخته شده به وسیله فناوری نانو)، گرافن، هواژل، تیتانات باریم انجامید.

 

تفاوت خازن و ابر خازن و باتری در چیست؟

واحد ظرفیت الکتریکی به نام شیمی دان و فیزیکدان پیشگام انگلیسی، مایکل فارادی (1867-1791)، فاراد (F) نامیده شده است. خازن های معمولی که در مدارهای الکتریکی به کار می روند مقادیر ناچیزی از الکتریسیته را ذخیره می کنند.(این مقادیر معمولا در واحدهایی تحت عنوان میکروفاراد (یک میلیونیوم فاراد)، نانوفاراد (یک ملیاردم فاراد) و پیکوفاراد (یک تریلیونوم فاراد) رتبه بندی می شوند).

 

 

 

عکس: از ابر خازن ها می توان به طور مستقیم به عنوان جایگزین باتری استفاده نمود. در تصویر دریل بی سیمی را می بینید که قدرت خود را از مجموعه ای از ابر خازن ها می گیرد و توسط ناسا برای استفاده در فضا طراحی شده است. برزگترین مزیت این دریل در مقایسه با سایر دریل ها این است که در طول چندین ثانیه و نه چندین ساعت قابل شارژ است. فضانوردانی که مشغول فضاپیمایی هستند همیشه نمی توانند طول شب را منتظر دریل خود باشند!

در تفاوتی بارز، یک ابر خازن می تواند باری هزاران، میلیون ها و یا حتی میلیاردها بار بزرگتر (در واحد فاراد) را ذخیره کند. بزرگترین ابر خازن های تجاری ساخته شده توسط شرکت فن آوری های ماکسول (Maxwell Technologies) دارای ظرفیت های بالغ بر چندین هزار فاراد هستند. این ظرفیت هنوز کسری (شاید 10 تا 20 درصد) از انرژی الکتریکی است که می توان در یک باتری ذخیره کرد.

ولی بزرگترین مزیت یک ابر خازن این است که می تواند انرژی را به صورت فوری ذخیره و رها سازد، بسیار سریع تر از کاری که باتری انجام می دهد. این بدین دلیل است که ابر خازن ها با تولید بارهای الکتریکی ساکن روی سطوح جامد کار می کنند، در حالیکه یک باتری بر پایه بارهای الکتریکی که به آهستگی طی واکنش هایی شیمیایی که معمولا با دخالت یک مایع به وجود می آیند، کار می کند.

اغلب دیده می شود که باتری ها و ابر خازن ها از جنبه انرژی و قدرت با یکدیگر مورد مقایسه قرار می گیرند. در صحبت های روزمره این دو واژه به جای هم و به یک معنا به کار می روند. از نظر علمی، قدرت میزان انرژی است که در یک زمان مشخص تولید و یا مصرف شده است.

باتری ها دارای تراکم انرژی بالاتری هستند (انرژی بیشتری در واحد جرم ذخیره می کنند) ولی ابر خازن ها دارای تراکم قدرت بالاتری هستند (می توانند انرژی را سریع تر آزاد کنند) این ویژگی ابر خازن ها را به گزینه بسیار مناسبی برا ذخیره و رهاسازی مقادیر زیاد انرژی با سرعت نسبتا بالا تبدیل می کند، ولی باتری ها همچنان به علت ذخیره‌ی مقادیر زیاد انرژی در بازه های زمانی طولانی در این قلمرو پادشاهی می کنند.

اگرچه ابر خازن ها در ولتاژ های نسبتا پایین (شاید 2-3 ولت) کار می کنند، می توان از آنها (مانند باتری ها) در سری ها استفاده کرد و ولتاژ بزرگتری برای استفاده در وسایل قدرتمندتر تولید کرد.

از آنجا که ابر خازن ها با الکریسیته ساکن کار می کنند و نه از طریق واکنش های شیمیایی برگشت پذیر، از نظر تئوری می توان آنها را به هر تعداد بار شارژ و تخلیه نمود. برگه های مشخصات که ویژگی های ابر خازن های تجاری را توضیح می دهند، مطرح می نمایند که این چرخه یک میلیون بار قابل تکرار است.

آنها مقاومت داخلی بسیار کم و حتی برابر با صفر دارند که بدین معناست که ابر خازن ها بدون مصرف انرژی زیادی، انرژی را ذخیره و رها می سازند و با بازدهی بسیار نزدیک به 100 (معمولا 97-98 درصد) کار می کنند.

 

کاربرد ابر خازن

اگر نیاز دارید که مقدار مناسبی انرژی را برای مدت زمان نسبتا کوتاهی ذخیره کنید (چندین ثانیه تا چندین دقیقه)، انرژی مورد نظر شما بیشتر از آن است که در یک خازن قابل ذخیره باشد و زمان کافی برای شارژ باتری ندارید، یک ابر خازن دقیقا همان چیزیست که به آن احتیاج دارید.

تاکنون از ابر خازن ها در سطح گسترده به عنوان معادل الکتریکی چرخ دنده ها در ماشین ها – “مخازن انرژی” که منبع تغذیه تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی را فراهم می‌سازند – استفاده شده است.

 

 

 

عکس: یک ابر خازن بزرگ که از آن برای ذخیره انرژی در یک اتوبوس هیبریدی استفاده می شود. ابر خازن ها در ترمز های احیا کننده که کاربرد بسیاری در وسایل نقلیه الکتریکی دارند به کار می روند. عکس با مجوز از مرکز تحقیقات گلن ناسا

یکی از کاربردهای رایج ابر خازن ها در توربین های بادی است، که ابر خازن های بسیار بزرگ برای صاف کردن ولتاژ تولید شده در توربین های بادی استفاده می شود. ابر خازن ها کاربرد رو به افزایشی در وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی به عنوان منابع انرژی موقت برای ترمز های احیا کننده دارند. در آنها انرژی که یک وسیله نقلیه به طور معمول در زمان توقف هدر می‌دهد، به صورت مختصر ذخیره شده و مجدداً زمانیکه به حرکت ادامه می دهد از آن استفاده می شود.

موتور هایی که وسایل نقلیه الکتریکی را به حرکت در می آورند، به منبع قدرتی برابر با هزاران ولت نیاز دارند. این بدین معناست که صدها ابر خازن که به صورت سری به هم متصل شده اند نیاز است تا این میزان لازم از انرژی در یک ترمز احیاکننده معمولی ذخیره شود.

به دلیل وجود چنین کاربردهایی ابر خازن ها آینده روشنی پیش رو دارند. در گزارشی که در سال ۲۰۲۰ توسط مرکز تحقیقات بازار متحد (Allied Market Research) ارائه شده است، ارزش بازار جهانی ابر خازن ها مقدار نه چندان زیاد ۳.27 میلیارد دلار در سال ۲۰۱۹ ارزیابی گردیده است. ولی پیش‌بینی شده است که این رقم در سال ۲۰۲۷ به ۱۶.9۵ میلیارد دلار برسد، افزایشی ۵ برابری فقط طی چندین سال!

قبل از پایان مقاله به شما پیشنهاد می کنیم که حتما از محصول اینورتر تک فاز دیدن کنید.