ابرخازن یا یونیستور وسیله ای برای ذخیره توده های انرژی است که در مرز بین الکترود و الکترولیت انباشته می شود. حجم انرژی مفید به عنوان شارژ نوع استاتیک ذخیره می شود. هنگامی که یونیستور اختلاف پتانسیل بین صفحات خود دریافت می کند، فرآیند انباشت به برهمکنش با یک ولتاژ ثابت منجر می شود. پیاده‌سازی فناوری و همچنین ایده ایجاد چنین دستگاه‌هایی نسبتاً اخیراً ظاهر شد، اما آنها موفق شدند برای حل تعداد معینی از مشکلات استفاده آزمایشی دریافت کنند. این قطعه می تواند جایگزین منابع فعلی با منشاء شیمیایی، پشتیبان یا وسیله اصلی منبع تغذیه در ساعت ها، ماشین حساب ها و ریزمدارهای مختلف شود.
طراحی اولیه خازن از صفحه ای تشکیل شده است که ماده آن فویل است که توسط یک ماده جداکننده خشک محدود شده است. یونیستور از تعدادی خازن با شارژر از نوع الکتروشیمیایی تشکیل شده است. برای تولید آن از الکترولیت های خاصی استفاده می شود. پوشش ها می توانند انواع مختلفی داشته باشند. کربن فعال برای ساخت آسترهای در مقیاس بزرگ استفاده می شود. همچنین می توان از اکسیدهای فلزی و مواد پلیمری با رسانایی بالا استفاده کرد. برای دستیابی به چگالی خازنی مورد نیاز، استفاده از مواد کربنی بسیار متخلخل توصیه می شود. علاوه بر این، این روش به شما امکان می دهد یک یونیستور را با هزینه بسیار کم بسازید. چنین قطعاتی متعلق به دسته خازن های DLC هستند که بار را در یک محفظه دوتایی تشکیل شده روی صفحه جمع می کنند.
راه حل طراحی، هنگامی که یونیستور با پایه الکترولیت آب ترکیب می شود، با مقاومت کم عناصر داخلی مشخص می شود، در حالی که ولتاژ شارژ به 1 ولت محدود می شود. استفاده از هادی های آلی سطوح ولتاژ حدود 2...3 را تضمین می کند. V و افزایش مقاومت.
مدارهای الکترونیکی با انرژی بیشتری کار می کنند. راه حل این مشکل افزایش تعداد پاور پوینت های استفاده شده است. یونیستور نه تنها یک، بلکه در مقدار 3-4 قطعه نصب می شود و مقدار مورد نیاز شارژ را ارائه می دهد.
در مقایسه با یک باتری نیکل-فلز هیدرید، یونیستور قادر است یک دهم ذخیره انرژی را در خود داشته باشد، در حالی که ولتاژ آن به صورت خطی کاهش می یابد، به استثنای مناطق تخلیه مسطح. این عوامل بر توانایی حفظ شارژ کامل در یونیستور تأثیر می گذارد. سطح شارژ مستقیماً به هدف تکنولوژیکی عنصر بستگی دارد.
اغلب، یک یونیستور برای تغذیه تراشه های حافظه استفاده می شود و در مدارهای فیلتر و فیلترهای صاف کننده قرار می گیرد. آنها همچنین می توانند با باتری های مختلف برای مبارزه با عواقب ناشی از افزایش ناگهانی جریان ترکیب شوند: هنگامی که جریان کم تامین می شود، یونیستور دوباره شارژ می شود، در غیر این صورت بخشی از انرژی را آزاد می کند و در نتیجه بار کلی را کاهش می دهد.
یک قاشق غذاخوری کربن فعال از داروخانه، چند قطره آب نمک، یک بشقاب حلبی و یک شیشه پلاستیکی فیلم عکاسی. انجام دادن کافی است یونیستور DIY، خازن الکتریکی که ظرفیت آن تقریباً برابر با ظرفیت الکتریکی ... کره زمین است. کوزه لیدن.
ممکن است یکی از روزنامه های آمریکایی در سال 1777 در مورد چنین وسیله ای نوشته باشد: «... دکتر فرانکلین دستگاهی به اندازه یک خلال دندان اختراع کرده است که می تواند کلیسای جامع سنت پل لندن را به مشتی خاکستر تبدیل کند. ” با این حال، اول چیزها.
بشریت کمی بیش از دو قرن است که از برق استفاده می کند، اما پدیده های الکتریکی هزاران سال است که برای مردم شناخته شده است و برای مدت طولانی اهمیت عملی نداشته است. تنها در آغاز قرن هجدهم، زمانی که علم به یک سرگرمی مد تبدیل شد، دانشمند آلمانی Otto von Guericke یک ماشین "الکتروفوریک" را به طور خاص برای انجام آزمایش های عمومی ایجاد کرد که با کمک آن برق را در مقادیری که قبلاً شنیده نشده بود دریافت کرد.
این دستگاه از یک توپ شیشه ای تشکیل شده بود که در حین چرخش تکه ای از چرم به آن مالیده می شد. تأثیر کار او عالی بود: جرقه‌ها می‌ترقیدند، نیروهای الکتریکی نامرئی شال‌های خانم‌ها را پاره می‌کردند و موها را سیخ می‌کردند. عموم مردم به ویژه از توانایی بدن برای انباشتن بارهای الکتریکی شگفت زده شدند.
در سال 1745، فیزیکدان هلندی اهل لیدن پیتر ون موشنبروک (1692 - 1761) آب را در یک ظرف شیشه ای ریخت، یک تکه سیم را مانند گل در گلدان داخل آن گذاشت و با احتیاط آن را با کف دست هایش بست و آن را به سمت شیشه آورد. دستگاه الکتروفور. بطری آنقدر الکتریسیته جمع کرد که جرقه ای درخشان با "غرش کر کننده" از قطعه سیم بیرون زد. دفعه بعد که دانشمند با انگشت خود سیم را لمس کرد، ضربه ای دریافت کرد که از هوش رفت. اگر دستیار کونئوس که به موقع وارد شد نبود، موضوع می توانست غم انگیز تمام شود.
بنابراین، دستگاهی ساخته شد که می‌توانست میلیون‌ها برابر بیشتر از هر بدنی که در آن زمان شناخته شده بود، بار جمع کند. به آن «کوزه لیدن» می گفتند. این یک نوع خازن بود که یکی از صفحات آن کف دست آزمایشگر، دی الکتریک دیوارهای شیشه ای و صفحه دوم آب بود.
خبر این اختراع در سراسر اروپای روشنفکر پخش شد. کوزه لیدن بلافاصله برای آموزش پادشاه فرانسه لویی پانزدهم مورد استفاده قرار گرفت. اجراها شروع شد. در یکی از آزمایش‌هایی که در تاریخ ثبت شد، جریان الکتریکی از زنجیره‌ای از نگهبانان که دست در دست داشتند عبور داده شد. وقتی تخلیه الکتریکی خورد، همه مثل یک نفر از جا پریدند، انگار می خواهند در هوا راهپیمایی کنند. در آزمایشی دیگر، جریان از زنجیره ای متشکل از 700 راهب عبور داده شد...
آزمایشات با کوزه لیدن در آمریکا جهت عملی تری به خود گرفت. در سال 1747، آنها توسط یکی از بنیانگذاران ایالات متحده، بنجامین فرانکلین که قبلاً ذکر شد، راه اندازی شدند. او به فکر پیچیدن کوزه در فویل قلع افتاد و ظرفیت آن چندین برابر شد و کار ایمن تر شد. فرانکلین در آزمایشات با آن ثابت کرد که یک تخلیه الکتریکی می تواند گرما ایجاد کند و ستون جیوه را در دماسنج بالا ببرد. و با جایگزین کردن شیشه با یک صفحه شیشه‌ای پوشیده شده با فویل قلع، فرانکلین یک خازن تخت دریافت کرد که چندین برابر سبک‌تر از شیشه لیدن که او بهبود داده بود.
تاریخ در مورد دستگاهی که قادر به ذخیره انرژی زیادی است که همانطور که روزنامه نوشت، می تواند برای "تبدیل کلیسای جامع سنت پل به تلی از خاکستر" استفاده شود، سکوت می کند، اما این بدان معنا نیست که B. Franklin نمی تواند آن را ایجاد کند. .
و در اینجا زمان بازگشت به نحوه انجام است یونیستور DIY. اگر همه چیز مورد نیاز خود را ذخیره کرده اید، پس از لحیم کردن یک تکه سیم عایق به آن، صفحه قلع را به پایین قوطی فیلم پایین بیاورید. یک پد کاغذ صافی روی آن قرار دهید، یک لایه کربن فعال روی آن بریزید و پس از ریختن آب نمک، "ساندویچ" خود را با یک الکترود دیگر بپوشانید.
نمودار عملکرد یونیستور.
شما یک خازن الکتروشیمیایی - یونیستور دارید. جالب است زیرا در منافذ ذرات کربن فعال یک لایه الکتریکی به اصطلاح دوتایی ظاهر می شود - دو لایه بارهای الکتریکی با علائم مختلف که نزدیک به یکدیگر قرار دارند، یعنی نوعی خازن الکتروشیمیایی. فاصله بین لایه ها بر حسب آنگستروم (1 آنگستروم - 10-9 متر) محاسبه می شود. و همانطور که مشخص است، ظرفیت خازن، هر چه بیشتر باشد، فاصله بین صفحات کوچکتر است.
به همین دلیل ذخیره انرژی در واحد حجم در لایه دوگانه بیشتر از قوی ترین ماده منفجره است. این کوزه لیدن!
یونیستور به صورت زیر عمل می کند. در صورت عدم وجود ولتاژ خارجی، ظرفیت آن ناچیز است. اما تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده به قطب های خازن، لایه های مجاور زغال سنگ شارژ می شوند. یون های علامت مخالف در محلول به سمت ذرات زغال سنگ می شتابند و یک لایه الکتریکی دوتایی بر روی سطح آنها تشکیل می دهند.
خازن الکتروشیمیایی صنعتی (یونیستور). محفظه فلزی به اندازه دکمه دو لایه کربن فعال را در خود جای داده است که توسط یک فاصله دهنده متخلخل از هم جدا شده اند.
نحوه انجام آن را طرح ریزی کنید یونیستور DIY.
نمودار یک یونیستور خانگی ساخته شده از یک شیشه پلاستیکی و کربن فعال:
1 - الکترود بالایی؛
2 - سیم های اتصال;
3.5 - لایه های کربن فعال مرطوب؛
4 - واشر جدا کننده متخلخل;
6 - الکترود پایین؛
7 - بدن
اگر باری به قطب های خازن متصل شود، بارهای مخالف از سطح داخلی ذرات زغال سنگ در امتداد سیم ها به سمت یکدیگر حرکت می کنند و یون های واقع در منافذ آنها خارج می شوند.
همین. اکنون می دانید که چگونه این کار را انجام دهید یونیستور DIY.
یونیستورهای مدرن دارای ظرفیت ده ها و صدها فاراد هستند. هنگام تخلیه، آنها می توانند قدرت زیادی ایجاد کنند و بسیار بادوام هستند. از نظر ذخیره انرژی در واحد جرم و واحد حجم، یونیستورها هنوز نسبت به باتری ها پایین تر هستند. اما اگر کربن فعال را با نازک‌ترین نانولوله‌های کربنی یا سایر مواد رسانای الکتریکی جایگزین کنید، شدت انرژی یونیستور می‌تواند فوق‌العاده بزرگ شود.
بنجامین فرانکلین در دورانی زندگی می‌کرد که حتی به فناوری نانو هم فکر نمی‌شد، اما این به معنای عدم استفاده از آن نیست. همانطور که رابرت کوری برنده جایزه نوبل شیمی گزارش داد، هنگام ساخت تیغه هایی از فولاد دمشق، صنعتگران باستانی بدون اینکه بدانند از روش های نانوتکنولوژی استفاده می کردند. فولاد گلدار باستانی به لطف ترکیب خاص کربن در ساختار فلزی همیشه تیز و بادوام باقی مانده است.
فرانکلین می‌تواند از نوعی نانومواد، مانند ساقه‌های گیاه زغالی حاوی نانولوله‌ها برای ایجاد ابرخازن استفاده کند. چند نفر از شما متوجه می شوید که چیست؟ کوزه لیدنو چه کسی برای انجام آن تلاش خواهد کرد؟
نیاز به کاهش اندازه قطعات رادیویی در عین افزایش مشخصات فنی آنها منجر به پیدایش تعداد زیادی دستگاه شد که امروزه در همه جا مورد استفاده قرار می گیرند. این به طور کامل خازن ها را تحت تاثیر قرار داد. به اصطلاح یونیستورها یا ابرخازن ها عناصری با ظرفیت بالا (محدوده این نشانگر از 0.01 تا 30 فاراد بسیار گسترده است) با ولتاژ شارژ 3 تا 30 ولت هستند. علاوه بر این، اندازه آنها بسیار کوچک است. و از آنجایی که موضوع گفتگوی ما یک یونیستور خودتان انجام دهید، قبل از هر چیز لازم است خود عنصر، یعنی چیستی آن را درک کنیم.
ویژگی های طراحی یونیستور
در اصل، این یک خازن معمولی با ظرفیت زیاد است. اما یونیستورها مقاومت بالایی دارند، زیرا عنصر بر پایه الکترولیت است. این اولین است. دومی ولتاژ شارژ پایین است. نکته این است که در این ابرخازن صفحات بسیار نزدیک به یکدیگر قرار دارند. این دقیقاً دلیل کاهش ولتاژ است، اما دقیقاً به همین دلیل است که ظرفیت خازن افزایش می یابد.
یونیزه کننده های کارخانه از مواد مختلفی ساخته می شوند. روکش ها معمولاً از فویل ساخته می شوند که توسط ماده ای خشک با خاصیت جداکننده جدا می شود. به عنوان مثال، کربن فعال (برای صفحات بزرگ)، اکسیدهای فلزی، مواد پلیمری که رسانایی الکتریکی بالایی دارند.
مونتاژ یونیزر با دستان خود
مونتاژ یونیزر با دستان خود ساده ترین کار نیست، اما هنوز هم می توانید آن را در خانه انجام دهید. طرح های مختلفی وجود دارد که در آنها مواد مختلفی وجود دارد. ما یکی از آنها را پیشنهاد می کنیم. برای انجام این کار شما نیاز دارید:
- شیشه قهوه فلزی (50 گرم)؛
- کربن فعال که در داروخانه ها فروخته می شود را می توان با الکترودهای کربن خرد شده جایگزین کرد.
- دو دایره صفحه مسی؛
- پشم پنبه
اول از همه، شما باید الکترولیت را آماده کنید. برای این کار ابتدا باید کربن فعال را به پودر تبدیل کنید. سپس یک محلول نمکی درست کنید که برای آن باید 25 گرم نمک به 100 گرم آب اضافه کنید و همه را خوب مخلوط کنید. سپس پودر کربن فعال به تدریج به محلول اضافه می شود. مقدار آن با قوام الکترولیت تعیین می شود که باید به ضخامت بتونه باشد.
پس از آن الکترولیت تمام شده روی دایره های مسی (از یک طرف) اعمال می شود. لطفا توجه داشته باشید که هر چه لایه الکترولیت ضخیم تر باشد، ظرفیت یونیستور بیشتر است. و یک چیز دیگر، ضخامت الکترولیت اعمال شده روی دو دایره باید یکسان باشد. بنابراین، الکترودها آماده هستند، اکنون باید توسط ماده ای جدا شوند که جریان الکتریکی را از خود عبور دهد، اما اجازه عبور پودر کربن را نمی دهد. برای این، از پشم پنبه معمولی استفاده می شود، اگرچه گزینه های زیادی در اینجا وجود دارد. ضخامت لایه پنبه ای قطر شیشه قهوه فلزی را تعیین می کند، یعنی کل ساختار الکترود باید به راحتی در آن قرار گیرد. از این رو، در اصل، شما باید ابعاد الکترودها را خود (دایره های مس) انتخاب کنید.
تنها چیزی که باقی می ماند این است که خود الکترودها را به پایانه ها وصل کنید. همین است ، یونیستور ساخته شده با دستان خود و حتی در خانه آماده است. این طرح ظرفیت خیلی زیادی ندارد - بالاتر از 0.3 فاراد نیست و ولتاژ شارژ فقط یک ولت است، اما این یک یونیستور واقعی است. 
نتیجه گیری در مورد موضوع
در مورد این عنصر علاوه بر این چه چیز دیگری می توان گفت؟ برای مثال، اگر آن را با یک باتری نیکل-فلز هیدرید مقایسه کنیم، یونیستور به راحتی می تواند منبع برق تا 10٪ از باتری را نگه دارد. علاوه بر این، افت ولتاژ آن به صورت خطی و نه ناگهانی رخ می دهد. اما میزان شارژ عنصر به هدف تکنولوژیکی آن بستگی دارد.
مردم ابتدا از خازن برای ذخیره برق استفاده کردند. سپس، زمانی که مهندسی برق فراتر از آزمایشات آزمایشگاهی رفت، باتری ها اختراع شدند که به وسیله اصلی ذخیره انرژی الکتریکی تبدیل شدند. اما در آغاز قرن بیست و یکم، دوباره استفاده از خازن برای تامین انرژی تجهیزات الکتریکی پیشنهاد شد. این چقدر امکان پذیر است و آیا باتری ها در نهایت به گذشته تبدیل می شوند؟
دلیل جایگزینی خازن ها با باتری ها به دلیل مقدار قابل توجهی برق بیشتر است که می توانند ذخیره کنند. دلیل دیگر این است که در هنگام تخلیه ولتاژ در خروجی باتری بسیار کم تغییر می کند، به طوری که تثبیت کننده ولتاژ یا مورد نیاز نیست یا می تواند طراحی بسیار ساده ای داشته باشد.
تفاوت اصلی خازن ها و باتری ها در این است که خازن ها به طور مستقیم بار الکتریکی را ذخیره می کنند، در حالی که باتری ها انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند، آن را ذخیره می کنند و سپس انرژی شیمیایی را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.
در طول تبدیل انرژی، بخشی از آن از بین می رود. بنابراین، حتی بهترین باتری ها بازدهی بیش از 90٪ ندارند، در حالی که برای خازن ها می تواند به 99٪ برسد. شدت واکنش های شیمیایی به دما بستگی دارد، بنابراین باتری ها در هوای سرد به طور قابل توجهی بدتر از دمای اتاق عمل می کنند. علاوه بر این، واکنش های شیمیایی در باتری ها کاملاً برگشت پذیر نیستند. از این رو تعداد کمی از چرخه های شارژ-دشارژ (در حدود هزاران، اغلب عمر باتری حدود 1000 چرخه شارژ-دشارژ است)، و همچنین "اثر حافظه". بیایید به یاد بیاوریم که "اثر حافظه" این است که باتری همیشه باید به مقدار معینی از انرژی انباشته تخلیه شود، سپس ظرفیت آن حداکثر خواهد بود. اگر پس از تخلیه، انرژی بیشتری در آن باقی بماند، ظرفیت باتری به تدریج کاهش می یابد. "اثر حافظه" تقریباً برای همه انواع باتری های تجاری تولید می شود، به جز انواع اسیدی (از جمله انواع آنها - ژل و AGM). اگرچه به طور کلی پذیرفته شده است که باتری های لیتیوم یونی و لیتیوم پلیمری آن را ندارند، در واقع آنها نیز آن را دارند، فقط به میزان کمتری نسبت به انواع دیگر خود را نشان می دهد. همانطور که برای باتری های اسیدی، آنها اثر سولفاته شدن صفحه را نشان می دهند که باعث آسیب غیرقابل برگشت به منبع برق می شود. یکی از دلایل این است که باتری برای مدت طولانی در حالت شارژ کمتر از 50 درصد باقی می ماند.
با توجه به انرژی جایگزین، "اثر حافظه" و سولفاته شدن صفحه مشکلات جدی هستند. واقعیت این است که پیش بینی تامین انرژی از منابعی مانند پنل های خورشیدی و توربین های بادی دشوار است. در نتیجه، شارژ و دشارژ باتری ها به طور آشفته و در حالت غیربهینه اتفاق می افتد.
برای ریتم مدرن زندگی، کاملاً غیرقابل قبول است که باتری ها باید چندین ساعت شارژ شوند. برای مثال، چگونه تصور می‌کنید در یک وسیله نقلیه الکتریکی مسافت طولانی را طی کنید، اگر باتری خاموش شما را چندین ساعت در نقطه شارژ نگه دارد؟ سرعت شارژ باتری با سرعت فرآیندهای شیمیایی که در آن اتفاق می افتد محدود می شود. می توانید مدت زمان شارژ را به 1 ساعت کاهش دهید، اما نه به چند دقیقه. در عین حال، نرخ شارژ خازن تنها با حداکثر جریان ارائه شده توسط شارژر محدود می شود.
معایب ذکر شده باتری ها استفاده از خازن ها را به جای آن ضروری کرده است.
با استفاده از دو لایه الکتریکی
برای چندین دهه، خازن های الکترولیتی بالاترین ظرفیت را داشتند. در آنها یکی از صفحات فویل فلزی، دیگری الکترولیت و عایق بین صفحات اکسید فلزی بود که فویل را پوشش می داد. برای خازن های الکترولیتی، ظرفیت می تواند به صدم فاراد برسد که برای تعویض کامل باتری کافی نیست.
خازن بزرگی که بر حسب هزاران فاراد اندازه گیری می شود را می توان توسط خازن هایی که بر اساس اصطلاحاً دو لایه الکتریکی ساخته شده اند به دست آورد. اصل عملکرد آنها به شرح زیر است. یک لایه الکتریکی دوتایی تحت شرایط خاصی در فصل مشترک مواد در فاز جامد و مایع ظاهر می شود. دو لایه یون با بارهایی با علائم متضاد، اما با اندازه یکسان تشکیل شده است. اگر وضعیت را بسیار ساده کنیم، آنگاه یک خازن تشکیل می شود که "صفحات" آن لایه های مشخص شده یون ها هستند که فاصله بین آنها برابر با چندین اتم است.
خازن های مبتنی بر این اثر گاهی اوقات یونیستور نامیده می شوند. در واقع، این اصطلاح نه تنها به خازن هایی که بار الکتریکی در آنها ذخیره می شود، بلکه به سایر دستگاه های ذخیره الکتریسیته نیز اشاره دارد - با تبدیل جزئی انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی همراه با ذخیره بار الکتریکی (یونیستور هیبریدی)، و همچنین برای باتری های مبتنی بر لایه الکتریکی دوگانه (به اصطلاح شبه خازن). بنابراین، اصطلاح "ابر خازن ها" مناسب تر است. گاهی اوقات از عبارت یکسان "اولترا خازن" به جای آن استفاده می شود.
پیاده سازی فنی
ابرخازن از دو صفحه کربن فعال پر شده با الکترولیت تشکیل شده است. بین آنها غشایی وجود دارد که به الکترولیت اجازه عبور می دهد، اما از حرکت فیزیکی ذرات کربن فعال بین صفحات جلوگیری می کند.
لازم به ذکر است که خود ابرخازن ها هیچ قطبی ندارند. از این نظر آنها اساساً با خازن های الکترولیتی متفاوت هستند که معمولاً با قطبیت مشخص می شوند ، عدم رعایت آن منجر به خرابی خازن می شود. با این حال، قطبیت برای ابرخازن ها نیز اعمال می شود. این به دلیل این واقعیت است که ابرخازن ها خط مونتاژ کارخانه را قبلاً شارژ شده ترک می کنند و علامت گذاری نشان دهنده قطبیت این شارژ است.
پارامترهای ابرخازن
حداکثر ظرفیت یک ابرخازن منفرد، که در زمان نوشتن مقاله به دست آمده است، 12000 فارنهایت است. برای ابرخازن های تولید انبوه، از 3000 فارنهایت تجاوز نمی کند. حداکثر ولتاژ مجاز بین صفحات از 10 ولت تجاوز نمی کند. این رقم، به عنوان یک قاعده، در 2. 3 - 2.7 V قرار دارد. ولتاژ عملیاتی پایین نیاز به استفاده از مبدل ولتاژ با عملکرد تثبیت کننده دارد. واقعیت این است که در هنگام تخلیه، ولتاژ روی صفحات خازن در محدوده وسیعی تغییر می کند. ساخت مبدل ولتاژ برای اتصال بار و شارژر یک کار غیر ضروری است. فرض کنید باید یک بار 60 واتی را تغذیه کنید.
برای ساده‌تر شدن بررسی موضوع، از تلفات مبدل ولتاژ و تثبیت‌کننده غفلت می‌کنیم. اگر با یک باتری معمولی 12 ولت کار می کنید، الکترونیک کنترل باید بتواند جریان 5 A را تحمل کند. چنین دستگاه های الکترونیکی گسترده و ارزان هستند. اما هنگام استفاده از یک ابرخازن، ولتاژی که 2.5 ولت است، وضعیت کاملاً متفاوتی ایجاد می شود. سپس جریانی که از اجزای الکترونیکی مبدل عبور می کند می تواند به 24 A برسد که نیاز به رویکردهای جدید در فناوری مدار و یک پایه عنصر مدرن دارد. دقیقاً پیچیدگی ساخت یک مبدل و تثبیت کننده است که می تواند این واقعیت را توضیح دهد که ابرخازن ها که تولید سریال آنها در دهه 70 قرن بیستم آغاز شد، اکنون به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند.
ابرخازن ها را می توان با استفاده از اتصالات سری یا موازی به باتری ها متصل کرد. در حالت اول، حداکثر ولتاژ مجاز افزایش می یابد. در مورد دوم - ظرفیت. افزایش حداکثر ولتاژ مجاز به این روش یکی از راه های حل مشکل است، اما باید هزینه آن را با کاهش ظرفیت خازن پرداخت کنید.
ابعاد ابرخازن ها به طور طبیعی به ظرفیت آنها بستگی دارد. یک ابرخازن معمولی با ظرفیت 3000 فارنهایت، استوانه ای با قطر حدود 5 سانتی متر و طول 14 سانتی متر است، یک ابرخازن دارای ابعادی قابل مقایسه با ناخن انسان است.
ابرخازن های خوب می توانند صدها هزار چرخه شارژ-دشارژ را تحمل کنند که در این پارامتر حدود 100 برابر بیشتر از باتری است. اما مانند خازن های الکترولیتی، ابرخازن ها نیز به دلیل نشت تدریجی الکترولیت با مشکل پیری مواجه می شوند. تاکنون آمار کاملی از خرابی ابرخازن ها به این دلیل جمع آوری نشده است، اما با توجه به داده های غیرمستقیم می توان عمر مفید ابرخازن ها را تقریباً 15 سال تخمین زد.
انرژی انباشته شده
مقدار انرژی ذخیره شده در خازن که بر حسب ژول بیان می شود:
که در آن C ظرفیت خازنی است که بر حسب فاراد بیان می شود، U ولتاژ روی صفحات است که بر حسب ولت بیان می شود.
مقدار انرژی ذخیره شده در خازن بر حسب کیلووات ساعت عبارت است از:
از این رو، یک خازن با ظرفیت 3000 فارنهایت با ولتاژ بین صفحات 2.5 ولت قادر است تنها 0.0026 کیلووات ساعت را ذخیره کند. این چگونه با باتری لیتیوم یون مقایسه می شود؟ اگر ولتاژ خروجی آن را مستقل از درجه دشارژ و برابر با 3.6 ولت در نظر بگیریم، مقدار انرژی 0.0026 کیلووات ساعت در یک باتری لیتیوم یونی با ظرفیت 0.72 Ah ذخیره می شود. افسوس، یک نتیجه بسیار متوسط.
کاربرد ابرخازن ها
سیستم‌های روشنایی اضطراری جایی هستند که استفاده از ابرخازن‌ها به جای باتری، تفاوت واقعی را ایجاد می‌کند. در واقع، دقیقاً این برنامه است که با تخلیه ناهموار مشخص می شود. علاوه بر این، مطلوب است که لامپ اضطراری به سرعت شارژ شود و منبع تغذیه پشتیبان مورد استفاده در آن از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردار باشد. منبع تغذیه پشتیبان مبتنی بر ابرخازن را می توان مستقیماً در لامپ LED T8 ادغام کرد. چنین لامپ هایی در حال حاضر توسط تعدادی از شرکت های چینی تولید می شود.
همانطور که قبلاً اشاره شد، توسعه ابرخازن‌ها عمدتاً به دلیل علاقه به منابع انرژی جایگزین است. اما کاربرد عملی همچنان محدود به لامپ های LED است که از خورشید انرژی دریافت می کنند.
استفاده از ابرخازن ها برای راه اندازی تجهیزات الکتریکی به طور فعال در حال توسعه است.
ابرخازن ها قادرند مقادیر زیادی انرژی را در مدت زمان کوتاهی تحویل دهند. با برق رسانی به تجهیزات الکتریکی در هنگام راه اندازی از یک ابرخازن، اوج بار در شبکه برق را می توان کاهش داد و در نهایت، حاشیه جریان هجومی را کاهش داد و به صرفه جویی زیادی در هزینه دست یافت.
با ترکیب چندین ابرخازن در یک باتری، می‌توان به ظرفیتی قابل مقایسه با باتری‌های مورد استفاده در خودروهای الکتریکی دست یافت. اما وزن این باتری چندین برابر باتری خواهد بود که برای خودروها غیرقابل قبول است. این مشکل را می توان با استفاده از ابرخازن های مبتنی بر گرافن حل کرد، اما آنها در حال حاضر فقط به عنوان نمونه اولیه وجود دارند. با این حال، نسخه امیدوار کننده یو-موبایل معروف که تنها با برق کار می کند، از ابرخازن های نسل جدید که توسط دانشمندان روسی در حال توسعه هستند، به عنوان منبع انرژی استفاده خواهد کرد.
ابرخازن‌ها همچنین از جایگزینی باتری‌ها در خودروهای بنزینی یا دیزلی معمولی سود خواهند برد - استفاده از آنها در چنین خودروهایی در حال حاضر یک واقعیت است.
در این میان، موفق ترین پروژه های اجرا شده برای معرفی ابرخازن ها را می توان ترولی بوس های جدید ساخت روسیه دانست که اخیرا در خیابان های مسکو ظاهر شده اند. هنگامی که تامین ولتاژ به شبکه تماس قطع می شود یا هنگامی که کلکتورهای جریان "پرواز می کنند"، ترولی بوس می تواند با سرعت کم (حدود 15 کیلومتر در ساعت) چند صد متر به مکانی حرکت کند که در ترافیک اختلال ایجاد نکند. در جاده منبع انرژی برای چنین مانورهایی یک باتری ابرخازن است.
به طور کلی، در حال حاضر ابرخازن‌ها می‌توانند باتری‌ها را تنها در «شیخ‌های» خاص جابجا کنند. اما فناوری به سرعت در حال توسعه است، که به ما اجازه می دهد انتظار داشته باشیم که در آینده نزدیک دامنه کاربرد ابرخازن ها به طور قابل توجهی گسترش یابد.
الکسی واسیلیف
ابرخازن ها را می توان درخشان ترین توسعه سال های اخیر نامید. در مقایسه با خازن های معمولی، با ابعاد یکسان، سه مرتبه از نظر ظرفیت متفاوت هستند. برای این، خازن ها پیشوند خود - "super" را دریافت کردند. آنها می توانند مقادیر زیادی انرژی را در مدت زمان کوتاهی آزاد کنند.
آنها در اندازه ها و اشکال مختلف موجود هستند:از موارد بسیار کوچک که بر روی سطح دستگاه ها نصب می شوند و اندازه آنها بزرگتر از یک سکه نیست گرفته تا موارد بسیار بزرگ استوانه ای و منشوری. هدف اصلی آنها کپی کردن منبع اصلی (باتری) در صورت افت ولتاژ است.
سیستم های الکترونیکی و الکتریکی مدرن پر انرژی، تقاضای زیادی برای منابع تغذیه دارند. تجهیزات نوظهور (از دوربین های دیجیتال گرفته تا دستگاه های الکترونیکی دستی و انتقال وسایل نقلیه الکتریکی) نیاز به ذخیره و تامین انرژی لازم دارند.
توسعه دهندگان مدرن این مشکل را به دو روش حل می کنند:
- استفاده از باتری با قابلیت ارسال پالس جریان بالا
- با اتصال موازی به باتری به عنوان بیمه ابرخازن ها، یعنی. راه حل "هیبرید".
در حالت دوم، ابرخازن به عنوان منبع تغذیه در هنگام کاهش ولتاژ باتری عمل می کند. این به این دلیل است که باتری ها دارای چگالی انرژی بالا و چگالی توان کم هستند، در حالی که برعکس، ابرخازن ها با چگالی انرژی کم اما چگالی توان بالا مشخص می شوند. آنها جریان تخلیه را برای بار فراهم می کنند. با اتصال یک ابر خازن به صورت موازی با باتری، می توانید از آن به طور موثرتری استفاده کنید و در نتیجه عمر مفید آن را افزایش دهید.
ابرخازن ها کجا استفاده می شوند؟
ویدئو: تست یک ابرخازن 116.6F 15V (6*700F 2.5V)، به جای باتری استارت در ماشین
در سیستم های الکترونیکی خودرو از آنها برای راه اندازی موتورها استفاده می شود.، در نتیجه بار روی باتری کاهش می یابد. آنها همچنین کاهش وزن را با کاهش نمودارهای سیم کشی ممکن می کنند. آنها به طور گسترده در خودروهای هیبریدی استفاده می شوند، جایی که ژنراتور توسط موتور احتراق داخلی کنترل می شود و یک موتور الکتریکی (یا موتورها) ماشین را به حرکت در می آورد. ابرخازن (کش انرژی) به عنوان منبع جریان در هنگام شتاب گیری و حرکت استفاده می شود و در هنگام ترمزگیری "شارژ" می شود. استفاده از آنها نه تنها در خودروهای سواری، بلکه در حمل و نقل شهری نیز امیدوارکننده است، زیرا نوع جدید خازن ها امکان کاهش مصرف سوخت را تا 50٪ و کاهش انتشار گازهای مضر به محیط زیست تا 90٪ فراهم می کند.
من هنوز نمی توانم باتری ابرخازن را به طور کامل تعویض کنم، اما این فقط یک زمان است. استفاده از ابرخازن به جای باتری اصلاً خارق العاده نیست. اگر نانوتکنولوژیست‌های دانشگاه QUT مسیر درست را طی کنند، در آینده نزدیک این امر به واقعیت تبدیل خواهد شد. پانل های بدنه حاوی آخرین نسل ابرخازن ها می توانند به عنوان باتری عمل کنند. کارمندان این دانشگاه موفق شدند مزایای باتری های لیتیوم یون و ابرخازن ها را در دستگاهی جدید ترکیب کنند. ابرخازن نازک، سبک و قدرتمند جدید متشکل از الکترودهای کربنی است که یک الکترولیت بین آنها قرار دارد. به گفته دانشمندان، محصول جدید را می توان در هر جایی از بدن نصب کرد.
به لطف گشتاور بالا (گشتاور راه اندازی)، آنها می توانند ویژگی های راه اندازی را در دماهای پایین بهبود بخشند و اکنون قابلیت های سیستم قدرت را گسترش دهند. مصلحت استفاده از آنها در سیستم قدرت با این واقعیت توضیح داده می شود که زمان شارژ / دشارژ آنها 5-60 ثانیه است. علاوه بر این، آنها را می توان در سیستم توزیع برخی از دستگاه های ماشین استفاده کرد: شیر برقی، سیستم های تنظیم قفل درب و موقعیت های شیشه پنجره.
ابرخازن DIY
شما می توانید با دستان خود یک ابر خازن بسازید. از آنجایی که طراحی آن از الکترولیت و الکترود تشکیل شده است، باید در مورد مواد آنها تصمیم بگیرید. مس، فولاد ضد زنگ یا برنج برای الکترودها کاملا مناسب هستند. برای مثال می توانید سکه های قدیمی پنج کوپکی را بگیرید. شما همچنین به پودر کربن نیاز دارید (می توانید کربن فعال را از داروخانه خریداری کنید و آن را آسیاب کنید). آب معمولی به عنوان یک الکترولیت عمل می کند، که در آن باید نمک خوراکی را حل کنید (100:25). محلول با پودر زغال چوب مخلوط می شود تا یک قوام بتونه ایجاد شود. اکنون باید در یک لایه چند میلی متری به هر دو الکترود اعمال شود.
تنها چیزی که باقی می ماند انتخاب واشر است که الکترودها را از هم جدا می کند، که الکترولیت از طریق آن آزادانه عبور می کند، اما پودر کربن حفظ می شود. فایبرگلاس یا لاستیک فوم برای این اهداف مناسب است.
الکترودها - 1.5; پوشش کربن الکترولیت - 2.4؛ واشر - 3.
می توانید از یک جعبه پلاستیکی به عنوان پوشش استفاده کنید و قبلاً سوراخ هایی را برای سیم های لحیم شده به الکترودها در آن سوراخ کرده باشید. پس از اتصال سیم ها به باتری، منتظر می مانیم تا طرح "یونیکس" شارژ شود که به این دلیل نامگذاری شده است زیرا غلظت های متفاوتی از یون ها باید روی الکترودها تشکیل شود. بررسی شارژ با استفاده از ولت متر آسان تر است.
راه های دیگری هم وجود دارد. به عنوان مثال، با استفاده از کاغذ حلبی (فیل حلبی - کاسه شکلاتی)، تکه های حلبی و کاغذ مومی که می توانید با برش دادن و قرار دادن نوارهای دستمال کاغذی در پارافین ذوب شده، اما نه جوشانده، خودتان آن را درست کنید. عرض نوارها باید پنجاه میلی متر و طول آن از دویست تا سیصد میلی متر باشد. پس از برداشتن نوارها از پارافین، باید پارافین را با سمت صاف چاقو جدا کنید.
کاغذ آغشته به پارافین به شکل آکاردئونی (مانند تصویر) تا می شود. در هر دو طرف، ورقه های استانیول در شکاف ها قرار می گیرند که به اندازه 45x30 میلی متر است. پس از آماده شدن قطعه کار، آن را تا می کنند و سپس با اتو گرم اتو می کنند. انتهای استانیول باقی مانده از بیرون به یکدیگر متصل می شوند. برای این کار می توانید از صفحات مقوایی و صفحات برنجی با گیره های حلبی استفاده کنید که بعداً هادی ها به آنها لحیم می شوند تا در هنگام نصب خازن لحیم شود.
ظرفیت خازن به تعداد برگهای استانیول بستگی دارد. به عنوان مثال، در هنگام استفاده از ده ورق از این قبیل، برابر با هزار پیکوفاراد و اگر تعداد آنها دو برابر شود، برابر است با دو هزار. این فناوری برای ساخت خازن هایی با ظرفیت تا پنج هزار پیکوفاراد مناسب است.
اگر به ظرفیت زیادی نیاز دارید، باید یک خازن کاغذ میکروفاراد قدیمی داشته باشید، که یک رول نواری است که از نوارهای کاغذ مومی تشکیل شده است، که بین آن یک نوار فویل استانیول گذاشته شده است.
برای تعیین طول نوارها از فرمول استفاده کنید:
l = 0.014 C/a، که در آن ظرفیت خازن مورد نیاز در pF C است. عرض نوارها بر حسب سانتی متر – a: طول بر حسب سانتی متر – 1.
پس از باز کردن نوارهایی به طول مورد نیاز از خازن قدیمی، فویل 10 میلی متری را از هر طرف جدا کنید تا از اتصال صفحات خازن به یکدیگر جلوگیری شود.
نوار باید دوباره بپیچد، اما ابتدا با لحیم کردن سیم های رشته ای به هر نوار فویل. این سازه با کاغذ ضخیم در بالا پوشانده شده است و دو سیم نصب (سخت) روی لبه های کاغذی که بیرون زده اند، مهر و موم شده اند، که سرب های خازن در داخل آستین کاغذ به آن لحیم می شوند (شکل را ببینید). آخرین مرحله پر کردن ساختار با پارافین است.
مزایای ابرخازن های کربنی
از آنجایی که امروز نمی توان حرکت وسایل نقلیه الکتریکی در سراسر کره زمین را نادیده گرفت، دانشمندان در حال کار بر روی موضوع مربوط به سریعترین شارژ آنها هستند. ایده‌های زیادی به وجود می‌آیند، اما فقط تعداد کمی از آنها عملی می‌شوند. به عنوان مثال در چین، یک مسیر غیرعادی حمل و نقل شهری در شهر نینگبو راه اندازی شده است. اتوبوسی که روی آن کار می کند از یک موتور الکتریکی نیرو می گیرد، اما شارژ آن تنها ده ثانیه طول می کشد. روی آن، پنج کیلومتر را طی می کند و دوباره در حین پیاده شدن/پیاده شدن مسافران، موفق به شارژ مجدد می شود.
این به لطف استفاده از نوع جدیدی از خازن ها - کربن امکان پذیر شد.
خازن های کربنیآنها می توانند حدود یک میلیون چرخه شارژ را تحمل کنند و در محدوده دمایی منفی چهل تا مثبت شصت و پنج درجه کاملاً کار کنند. آنها تا 80 درصد انرژی را از طریق بازیابی برمی گردند.
آنها دوره جدیدی را در مدیریت انرژی آغاز کردند که زمان تخلیه و شارژ را به نانوثانیه کاهش داد و وزن خودرو را کاهش داد. به این مزایا می‌توانیم هزینه کم را اضافه کنیم، زیرا از فلزات خاکی کمیاب و سازگاری با محیط زیست در تولید استفاده نمی‌شود.