- A Super-Capacitor vagy az Ultra-Capacitor előnyei
- Energiák a kondenzátorban
- Építése
- Supercapacitor Array építése
- Példa
A kondenzátor egy kétterminálos passzív alkatrész, amelyet széles körben használnak az elektronikában. Szinte minden áramkör, amelyet az elektronikában találunk, egy vagy több kondenzátort használ különféle használatra. A kondenzátorok a leggyakrabban használt elektronikai alkatrészek az ellenállások után. Különleges képességük van az energia tárolására. Különböző típusú kondenzátorok kaphatók a piacon, de a közelmúltban egyre népszerűbb és a jövőben az elemek cseréjét vagy alternatíváját ígérő kondenzátorok szuperkondenzátorok vagy ultrakondenzátorok néven is ismertek.. A szuperkondenzátor nem más, mint egy nagy kapacitású kondenzátor, amelynek kapacitása sokkal magasabb, mint a normál kondenzátoroké, de alacsonyabb a feszültséghatár. Térfogat- vagy tömegegységenként 10–100-szor több energiát képesek tárolni, mint az elektrolit-kondenzátorok, sokkal gyorsabban tudnak fogadni és leadni töltést akkumulátorokat, és több töltési-kisütési ciklust tűr, mint az újratölthető akkumulátorok.
A szuperkondenzátorok vagy az ultrakondenzátorok egy új energiatárolási technológia, amelyet a modern időkben jelentősen fejlesztenek. A szuperkondenzátorok jelentős ipari és gazdasági előnyökkel járnak
A kondenzátor kapacitását Faradban (F) mérjük, például.1uF (mikrofarad), 1mF (millifarad). Bár az alacsonyabb értékű kondenzátorok meglehetősen elterjedtek az elektronikában, nagyon nagy értékű kondenzátorok is rendelkezésre állnak, amelyek sokkal nagyobb sűrűségben tárolják az energiát, és nagyon nagy kapacitású értékben állnak rendelkezésre, Farad tartományban.
A fenti képen egy helyileg elérhető 2,7 V, 1Farad szuper kondenzátor kép látható. A feszültségérték sokkal alacsonyabb, de a fenti kondenzátor kapacitása meglehetősen magas.
A Super-Capacitor vagy az Ultra-Capacitor előnyei
A szuperkondenzátorok kereslete napról napra növekszik. A gyors fejlődés és a kereslet fő oka a szuperkondenzátorok számos más előnyének köszönhető, ezek közül csak néhányat említünk:
- Nagyon jó élettartamot biztosít, kb. 1 millió töltési ciklus alatt.
- Az üzemi hőmérséklet majdnem -50 és 70 fok között van, ami alkalmassá teszi a fogyasztói alkalmazásokhoz való felhasználásra.
- Nagy teljesítménysűrűség, akár 50-szeres, amelyet akkumulátorok érnek el.
- A káros anyagok, a mérgező fémek nem részei a szuperkondenzátorok vagy az ultrakondenzátorok gyártási folyamatának, ami miatt eldobható alkatrészként minősülnek.
- Hatékonyabb, mint az elemek.
- Az elemekhez képest nem igényel karbantartást.
A szuperkondenzátorok energiáját az elektromos mezőben tárolják, akkumulátorok esetében azonban kémiai vegyületeket használnak az energiák tárolására. Gyors töltés és kisütés képessége miatt a szuperkondenzátorok lassan belépnek az akkumulátorok piacára. Alacsony belső ellenállás, nagyon nagy hatékonysággal, karbantartási költségek nélkül, a hosszabb élettartam a fő oka annak, hogy a modern áramforrásokkal kapcsolatos piacon nagy az igény.
Energiák a kondenzátorban
A kondenzátor Q = C x V alakban tárolja az energiákat. A Q jelentése töltés Coulombokban, C a kapacitás Faradokban és V a feszültség voltban. Tehát, ha növeljük a kapacitást, a Q tárolt energia is növekszik.
A kapacitás mértékegysége Faraday (F), amely M. Faraday nevét viseli. A Farad a kapacitás mértékegysége a coulomb / volt vonatkozásában. Ha egy kondenzátort 1 Faraddal mondunk, akkor ez 1 voltos potenciálkülönbséget hoz létre a lemezei között az 1 coulomb töltéstől függően.
1 A Farad nagyon nagy értékû kondenzátor, amelyet általános elektronikai alkatrészként lehet használni. Az elektronikában általában mikrofarad-Pico farad kapacitást alkalmaznak. A mikrofaradot uF-nek (1/1 000 000 Farad vagy 10 -6 F), a nano-faradot nF-nek (1/1 000 000 000 vagy 10 -9 F), Pico faradot pedig pF-nek (1/1 000 000 000 000 vagy 10 -12 F) jelöljük.
Ha az érték sokkal magasabb lesz, mint az mF néhány Farad esetében (általában <10F), az azt jelenti, hogy a kondenzátor sokkal több energiát képes megtartani a lemezei között, ezt a kondenzátort Ultra kondenzátornak vagy szuperkondenzátornak hívják.
A kondenzátorban tárolt energiák E = ½ CV 2 joule. E a tárolt energia joule-ban, C a kapacitás Faradban és V a potenciálkülönbség a lemezek között.
Építése
A szuperkondenzátor egy elektrokémiai eszköz. Érdekes módon nincsenek kémiai reakciók felelősek az elektromos energiák tárolásáért, egyedülálló felépítésűek, nagy vezetőlemezükkel vagy elektródjukkal, amelyek szorosan egymás közelében vannak, nagyon kis felülettel. Felépítése megegyezik egy elektrolit kondenzátorral, amelynek elektródái között folyékony vagy nedves elektrolit található. A kondenzátorok különböző típusairól itt tájékozódhat.
A szuperkondenzátor elektrosztatikus eszközként működik, amely elektromos energiáját a vezető elektródák közötti elektromos térként tárolja.
A vörös és kék elektródák kétoldalasak. Általában grafitszénből készültek, szén nanocsövek vagy gélek vagy egy speciális típusú vezetőképes aktív szén formájában.
Az elektródák közötti nagy elektronáramlás és a pozitív ion áthaladásának megakadályozásához porózus papírmembránt használnak. A papírmembrán elválasztja az elektródákat is. Amint a fenti képen láthatjuk, a porózus papírmembrán középen helyezkedik el, amely zöld színű. Az elektródákat és a papírelválasztót folyékony elektrolittal impregnálják. Az alumínium fóliát áramgyűjtőként használják, amely létrehozza az elektromos kapcsolatot.
Az elválasztólemez és a lemezek területe felelős a kondenzátor kapacitásértékéért. A relációt jelölhetjük
Ahol Ɛ a lemezek között jelen lévő anyag permittivitása
A a lemez területe
D a lemezek közötti távolság
Tehát szuperkondenzátor esetén meg kell növelni az érintkezési felületet, de van korlátozás. Nem tudjuk növelni a kondenzátor fizikai alakját vagy méretét. Ennek a korlátozásnak a leküzdésére speciális típusú elektrolitokat használnak a lemezek közötti vezetőképesség növelésére, ezáltal növelve a kapacitást.
A szuperkondenzátorokat kétrétegű kondenzátornak is nevezik. Ennek oka van. Nagyon kis elválasztás és nagy felület speciális elektrolit alkalmazásával az elektrolit ionok felületi rétege kettős réteget képez. Két kondenzátorszerkezetet hoz létre, egy-egy szén-elektródánál, és kettős rétegű kondenzátort neveznek el.
Ezeknek a konstrukcióknak van egy hátránya. A kondenzátor feszültsége nagyon alacsony lett az elektrolit bomlási feszültsége miatt. A feszültség nagymértékben függ az elektrolit anyagától, az anyag korlátozhatja a kondenzátor elektromos energiatároló kapacitását. Tehát az alacsony kapocsfeszültség miatt egy szuperkondenzátor sorozatosan csatlakoztatható az elektromos töltés hasznos feszültségszinten történő tárolására. Emiatt a szupakondenzátor sorozatban a szokásosnál nagyobb feszültséget produkál, és ezzel párhuzamosan a kapacitás nagyobb lett. Az alábbi Supercapacitor Array Construction technika egyértelműen érthető.
Supercapacitor Array építése
A töltés hasznos szükséges feszültségen történő tárolásához a szuperkondenzátorokat sorba kell csatlakoztatni. A kapacitás növelése érdekében párhuzamosan kell őket összekapcsolni.
Lássuk a szuperkondenzátor tömbszerkezetét.
A fenti képen egyetlen cella vagy kondenzátor cellafeszültségét Cv-ként, míg egyetlen cella kapacitását Cc-ként jelöljük. A szuperkondenzátor feszültségtartománya 1 V és 3 V között van, a soros kapcsolatok növelik a feszültséget, és több kondenzátor párhuzamosan növeli a kapacitást.
Ha létrehozzuk a tömböt, akkor a feszültség sorozatban lesz
Teljes feszültség = cellafeszültség (Cv) x sorok száma
És a kapacitás párhuzamosan lesz
Teljes kapacitás = cella kapacitása (Cc) x (oszlopok száma / sorok száma)
Példa
Létre kell hoznunk egy tartalék tárolóeszközt, ehhez pedig 2,5 V-os szuper- vagy szuperkondenzátor szükséges, 6 V-os besorolással.
Ha a tömböt 3F névleges 1F kondenzátorok segítségével kell létrehoznunk, akkor mekkora lesz a tömb mérete és a kondenzátorok mennyisége?
Teljes feszültség = cellafeszültség x sorszám Ezután sorszám = 6/3 sorszám = 2
Azt jelenti, hogy két soros kondenzátor 6 V potenciálkülönbséggel rendelkezik.
Most, a kapacitás, Teljes kapacitás = cella kapacitása x (oszlop száma / sor száma), majd oszlop száma = (2,5 x 2) / 1
Tehát 2 sorra és 5 oszlopra van szükségünk.
Építsük meg a tömböt,
A tömbben tárolt teljes energia:
A szuperkondenzátorok jól tárolják az energiát, és ahol gyors töltésre vagy kisütésre van szükség. Széles körben használják biztonsági eszközökként, ahol szükség van tápellátásra vagy gyors lemerítésre. Ezeket tovább használják nyomtatókban, autókban és különféle iható elektronikai eszközökben.