خازن به جای باتری: راه حل فنی یونیستور خانگی - ما با دستان خود ابرخازن می سازیم نحوه ساخت ابرخازن یونیستور در خانه

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؟

یونیستورها دستگاه های الکتروشیمیایی هستند که برای ذخیره انرژی الکتریکی طراحی شده اند. آنها با نرخ شارژ-دشارژ زیاد (تا چندین ده هزار بار) مشخص می شوند، عمر مفید آنها بر خلاف سایر باتری ها (باتری های قابل شارژ و سلول های گالوانیکی)، جریان نشتی کم، و مهمتر از همه، یونیستورها می توانند داشته باشند. ظرفیت بزرگ و اندازه های بسیار کوچک یونیستورها به طور گسترده در رایانه های شخصی، رادیو اتومبیل، دستگاه های تلفن همراه و غیره استفاده می شوند. طراحی شده برای ذخیره حافظه زمانی که باتری اصلی خارج می شود یا دستگاه خاموش می شود. اخیراً یونیستورها اغلب در سیستم های قدرت مستقل با استفاده از باتری های خورشیدی استفاده می شوند.

همچنین یونیستورها بدون توجه به شرایط آب و هوایی شارژ را برای مدت بسیار طولانی ذخیره می کنند، در برابر یخ زدگی و گرما مقاوم هستند و این به هیچ وجه بر عملکرد دستگاه تاثیری نخواهد داشت. در برخی مدارات الکترونیکی برای ذخیره حافظه باید ولتاژی بالاتر از ولتاژ یونیستور داشته باشید که برای حل این مشکل یونیستورها به صورت سری و برای افزایش ظرفیت یونیستور به هم متصل می شوند. موازی. نوع دوم اتصال عمدتاً برای افزایش زمان عملکرد یونیستور و همچنین برای افزایش جریان عرضه شده به بار استفاده می شود؛ برای متعادل کردن جریان در یک اتصال موازی، یک مقاومت به هر یونیستور متصل می شود.

یونیستورها اغلب با باتری ها استفاده می شوند و بر خلاف آنها از اتصال کوتاه و تغییرات ناگهانی دمای محیط نمی ترسند. در حال حاضر یونیستورهای ویژه ای با ظرفیت زیاد و جریان تا 1 آمپر در حال توسعه هستند.همانطور که مشخص است جریان یونیستورهایی که امروزه در فناوری برای ذخیره سازی حافظه استفاده می شود از 100 میلی آمپر تجاوز نمی کند، این یکی از بهترین هاست. اشکال مهم یونیستورها، اما این مشکل با مزایای ذکر شده در بالا یونیستورها جبران می شود. در اینترنت می توانید طرح های زیادی بر اساس به اصطلاح ابرخازن ها پیدا کنید - آنها همچنین یونیستور هستند. یونیستورها اخیراً - 20 سال پیش ظاهر شدند.

به گفته دانشمندان، ظرفیت الکتریکی سیاره ما در مقایسه با یک خازن ساده 700 میکروفاراد است... یونیستورها عمدتاً از زغال چوب ساخته می شوند که پس از فعال شدن و تصفیه خاص، متخلخل می شوند؛ دو صفحه فلزی به طور محکم روی محفظه فشار داده می شوند. زغال سنگ ساخت یک یونیستور در خانه بسیار ساده است، اما دریافت کربن متخلخل تقریبا غیرممکن است؛ شما باید زغال چوب را در خانه پردازش کنید، و این تا حدودی مشکل ساز است، بنابراین خرید یک یونیستور و انجام آزمایش های جالب روی آن آسان تر است. به عنوان مثال، پارامترهای (قدرت و ولتاژ) یک یونیستور برای روشن شدن روشن و طولانی مدت یا کارکرد LED کافی است.

ابرخازن یا یونیستور وسیله ای برای ذخیره توده های انرژی است؛ تجمع بار در مرز بین الکترود و الکترولیت اتفاق می افتد. 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.

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.

مقایسه طراحی انواع خازن (منبع: ویکی پدیا)

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.

ابرخازن با ظرفیت های مختلف تولید شده توسط ماکسول

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، ولتاژ 2.5 ولت، وضعیت کاملاً متفاوتی ایجاد می شود. سپس جریانی که از طریق اجزای الکترونیکی مبدل می گذرد می تواند به 24 A برسد که نیاز به رویکردهای جدید در فناوری مدار و 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.

نمودار شماتیک منبع تغذیه بدون وقفه
ولتاژ روی ابرخازن ها، اجزای اصلی اجرا می شوند
روی یک ریزمدار تولید شده توسط LinearTechnology

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. ابرخازن با ظرفیت 10 فارنهایت ابعادی قابل مقایسه با ناخن انسان دارد.

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:

E = CU 2/2،
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:

W = CU 2 / 7200000

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.

چراغ برق LED زمینی
از پانل های خورشیدی، ذخیره انرژی
که در آن در یک ابرخازن انجام 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.

یونیستور خازنی است که صفحات آن یک لایه الکتریکی دوتایی بین الکترود و الکترولیت است. نام دیگر این دستگاه supercapacitor، ultracapacitor، خازن الکتروشیمیایی دو لایه یا ionix است. ظرفیت زیادی دارد که به آن اجازه می دهد به عنوان منبع جریان استفاده شود.

دستگاه ابرخازن

اصل کار یک یونیستور مشابه خازن های معمولی است، اما این دستگاه ها در مواد مورد استفاده متفاوت هستند. از مواد متخلخل به عنوان پوشش در چنین عناصری استفاده می شود - کربن فعال، که رسانای خوبی است، یا فلزات کف شده. این باعث می شود که مساحت آنها چندین برابر افزایش یابد و از آنجایی که ظرفیت خازن با مساحت الکترودها نسبت مستقیم دارد، به همان میزان افزایش می یابد. علاوه بر این، از یک الکترولیت به عنوان دی الکتریک مانند خازن های الکترولیتی استفاده می شود که باعث کاهش فاصله بین صفحات و افزایش ظرفیت خازنی می شود. رایج ترین پارامترها چندین فاراد در ولتاژ 5-10 ولت هستند.

انواع یونیستورها

انواع مختلفی از این دستگاه ها وجود دارد:

• با الکترودهای کربن فعال کاملاً قطبی. واکنش های الکتروشیمیایی در چنین عناصری رخ نمی دهد. محلول های آبی هیدروکسید سدیم (30٪ KOH)، اسید سولفوریک (38٪ H2SO4) یا الکترولیت های آلی به عنوان الکترولیت استفاده می شود.
• یک الکترود کربن فعال کاملاً قطبی به عنوان یک صفحه استفاده می شود. الکترود دوم ضعیف یا غیرقابل قطبش (آند یا کاتد، بسته به طراحی) است.
• شبه خازن ها در این دستگاه ها واکنش های الکتروشیمیایی برگشت پذیر در سطح صفحات رخ می دهد. ظرفیت بالایی دارند.

مزایا و معایب یونیستورها

از چنین دستگاه هایی به جای باتری یا باتری استفاده می شود. در مقایسه با آنها، چنین عناصری دارای مزایا و معایبی هستند.

معایب ابرخازن ها:

• جریان تخلیه کم در عناصر رایج، و طراحی های بدون این اشکال بسیار گران هستند.
• ولتاژ خروجی دستگاه در هنگام تخلیه کاهش می یابد.
• در صورت اتصال کوتاه در عناصر با ظرفیت بالا با مقاومت داخلی کم، کنتاکت ها می سوزند.
• کاهش ولتاژ و نرخ دشارژ مجاز در مقایسه با خازن های معمولی؛
• جریان خود تخلیه بیشتر از باتری ها.

مزایای فوق خازن ها:

• سرعت، جریان شارژ و دشارژ بالاتر نسبت به باتری ها؛
• دوام - هنگام آزمایش پس از 100000 چرخه شارژ/دشارژ، هیچ تغییری در پارامترها مشاهده نشد.
• مقاومت داخلی بالا در اکثر طرح ها، جلوگیری از خود تخلیه و خرابی در طول اتصال کوتاه.
• عمر طولانی؛
• حجم و وزن کمتر؛
• دوقطبی - سازنده "+" و "-" را علامت گذاری می کند، اما این قطبیت شارژ اعمال شده در طول آزمایش های تولید است.
• طیف گسترده ای از دماهای عملیاتی و مقاومت در برابر اضافه بارهای مکانیکی.

تراکم انرژی

توانایی ذخیره انرژی در ابرخازن ها 8 برابر کمتر از باتری های سرب و 25 برابر کمتر از باتری های لیتیومی است. چگالی انرژی به مقاومت داخلی بستگی دارد: هر چه کمتر باشد، ظرفیت انرژی ویژه دستگاه بیشتر است. پیشرفت‌های اخیر دانشمندان، ایجاد عناصری را ممکن می‌سازد که توانایی ذخیره انرژی آنها با باتری‌های سرب قابل مقایسه باشد.

در سال 2008، یک یونیستور در هند ساخته شد که در آن صفحات از گرافن ساخته شده بودند. شدت انرژی این عنصر 32 (وات ساعت) بر کیلوگرم است. برای مقایسه، ظرفیت انرژی باتری های خودرو 30-40 (Wh) / کیلوگرم است. شارژ سریع این دستگاه ها امکان استفاده از آن ها در خودروهای الکتریکی را فراهم می کند.

در سال 2011، طراحان کره ای دستگاهی ساختند که در آن علاوه بر گرافن، از نیتروژن نیز استفاده شد. این عنصر دو برابر شدت انرژی ویژه را فراهم می کرد.

ارجاع.گرافن لایه ای از کربن به ضخامت ۱ اتم است.

کاربرد یونیستورها

از خواص الکتریکی ابرخازن ها در زمینه های مختلف فناوری استفاده می شود.

حمل و نقل عمومی

اتوبوس های برقی که به جای باتری از یونیستور استفاده می کنند توسط هیوندای موتور، ترولزا، بلکومونمش و برخی دیگر تولید می شوند.

این اتوبوس ها از نظر ساختاری شبیه ترولی بوس های بدون میله هستند و نیازی به شبکه تماس ندارند. شارژ آنها در توقفگاه ها در حین پیاده شدن و سوار شدن مسافران و یا در نقاط پایانی مسیر در عرض 5-10 دقیقه انجام می شود.

ترولی‌بوس‌های مجهز به یونیستور قادر به دور زدن خطوط تماس شکسته و راهبندان هستند و نیازی به سیم در انبارها و پارکینگ‌های انتهای مسیر ندارند.

ماشین های برقی

مشکل اصلی خودروهای برقی زمان شارژ طولانی است. یک فوق خازن با جریان شارژ بالا و زمان شارژ کوتاه امکان شارژ مجدد در توقف های کوتاه را فراهم می کند.

در روسیه، Yo-mobile ساخته شده است که از یک یونیستور مخصوص ساخته شده به عنوان باتری استفاده می کند.

علاوه بر این، نصب ابرخازن به موازات باتری به شما این امکان را می دهد که جریان مصرفی موتور الکتریکی را در هنگام راه اندازی و شتاب افزایش دهید. این سیستم در KERS، در اتومبیل های فرمول 1 استفاده می شود.

لوازم الکترونیکی مصرفی

از این دستگاه ها در فلاش های عکس و سایر دستگاه هایی استفاده می شود که قابلیت شارژ و دشارژ سریع در آنها بیشتر از اندازه و وزن دستگاه است. به عنوان مثال، آشکارساز سرطان در 2.5 دقیقه شارژ می شود و به مدت 1 دقیقه کار می کند. این برای انجام تحقیقات و جلوگیری از موقعیت هایی که دستگاه به دلیل خالی شدن باتری کار نمی کند کافی است.

در فروشگاه های خودرو می توانید یونیستورهایی با ظرفیت 1 فاراد برای استفاده به موازات رادیو خودرو خریداری کنید. آنها نوسانات ولتاژ را در هنگام روشن شدن موتور صاف می کنند.

یونیستور DIY

در صورت تمایل می توانید با دستان خود یک ابر خازن بسازید. چنین دستگاهی پارامترهای بدتری خواهد داشت و مدت زیادی دوام نمی آورد (تا زمانی که الکترولیت خشک شود)، اما به طور کلی ایده ای از عملکرد چنین دستگاه هایی ارائه می دهد.

برای ساختن یونیستور با دستان خود به موارد زیر نیاز دارید:

• فویل مس یا آلومینیوم؛
• نمک؛
• کربن فعال از داروخانه؛
• پشم پنبه؛
• سیم های انعطاف پذیر برای سرب.
• جعبه پلاستیکی برای کیس

روش ساخت اولترخازن به شرح زیر است:

• دو تکه فویل را آنقدر بزرگ برش دهید که در پایین جعبه قرار بگیرند.
• سیم ها را به فویل لحیم کنید.
• زغال سنگ را با آب مرطوب کنید، به پودر تبدیل کنید و خشک کنید.
• یک محلول نمک 25٪ آماده کنید.
• پودر زغال سنگ را با محلول نمک مخلوط کنید تا به خمیر تبدیل شود.
• پشم پنبه را با محلول نمک مرطوب کنید؛
• خمیر را در یک لایه نازک و یکنواخت روی فویل بمالید.
• یک "ساندویچ" درست کنید: فویل با زغال چوب، یک لایه نازک از پشم پنبه، فویل با زغال چوب.
• ساختار را در جعبه قرار دهید.

ولتاژ مجاز چنین دستگاهی 0.5 ولت است. هنگامی که از آن فراتر رفت، فرآیند الکترولیز شروع می شود و یونیستور به باتری گاز تبدیل می شود.

جالب هست.اگر چندین چنین سازه را مونتاژ کنید، ولتاژ کار افزایش می یابد، اما ظرفیت کاهش می یابد.

یونیستورها دستگاه های الکتریکی امیدوار کننده ای هستند که به لطف نرخ شارژ و دشارژ بالای خود می توانند جایگزین باتری های معمولی شوند.

ویدیو