آموزش الکترونیکآموزش ها

همه چیز درباره ی ابر خازن ها Supercapacitor + آموزش کامل

سلام. همه چیز درباره ی ابر خازن ها Supercapacitor + آموزش کامل را آماده کردیم.

ابر خازن چیست؟

خازن یک جز غیر فعال دو پایانه ای ست که به طور گسترده در الکترونیک استفاده می شود. تقریبا هر مداری که در الکترونیک پیدا می کنیم، از یک یا چند خازن برای کاربرد های مختلف استفاده می کند. خازن ها بعد از مقاومت ها پرکاربردترین مؤلفه های الکترونیکی هستند. آنها توانایی خاصی در ذخیره انرژی دارند. انواع مختلفی از خازن ها در بازار موجود است اما یکی از مواردی که محبوبیت زیادی پیدا کرده و وعده جایگزینی و تغییرپذیری باتری ها را در آینده داده است، ابرخازن ها(supercapacitors) هستند که به عنوان Ultracapacitor نیز شناخته می شوند. یک ابرخازن چیزی نیست جز یک خازن پرظرفیت با ظرفیت خازنیِ بسیار بیشتر از خازن های معمولی اما با حد ولتاژ کمتر. آنها می توانند به ازای هر واحد حجم یا جرم، 10 تا 100 برابر انرژی بیشتری نسبت به خازن های الکترولیتی ذخیره کنند. می توانند خیلی سریع تر از باتری ها شارژ دریافت کرده و تحویل دهند و بیشتر از باتری های قابل شارژ، چرخه های شارژ _تخلیه شارژ  را تحمل می کنند.

Supercapacitors یا Ultracapacitors یک فناوری جدید ذخیره انرژی هستند که در دوران مدرن‌ به شدت توسعه یافته اند. ابرخازن ها منافع صنعتی و اقتصادی قابل توجهی را ارائه می دهند.

مقیاس اندازه گیری ظرفیت خازن فاراد(F) است، مانند 1UF(میکروفاراد)، 1mF(میلی فاراد). با این وجود، در حالی که خازن هایی با کمیت کمتر در الکترونیک بسیار متدوال هستند، خازن‌ های با کمیت بسیار بالا نیز موجود هستند، که انرژی را در چگالی بسیار بالاتر ذخیره می کنند و در مقادیر ظرفیت خازن بالاتر قابل دسترسی هستند، احتمالا در محدوده ی فارادی.

در تصویر بالا، یک ۲.۷ ولت محلی قابل دسترس، تصویر ابر خازن ۱ فاراد نشان داده شده است. درجه ولتاژ بسیار پایین است اما ظرفیت خازن فوق، بسیار زیاد است.

فواید ابر خازن ها

تقاضا ی اَبَر خازن روز به روز در حال افزایش است. دلیل اصلی توسعه سریع و تقاضا ، به دلیل بسیاری از مزایای دیگر ابر خازن ها است که تعداد کمی از آنها در زیر آورده شده است :

  • این یک عمر بسیار خوب، تقریبا یک میلیون چرخه ی شارژ ، به ما ارائه میدهد ‌.
  • دمای کار تقریباً از -50 درجه تا 70 درجه است و این باعث می شود آن را برای استفاده در برنامه های مصرف کننده مناسب کند.
  • چگالی توان بالا تا 50 دفعه ، که توسط باتری ها حاصل می شود.
  • مواد مضر و فلزات سمی جزئی از فرآیند تولید ابر خازنها نیستند که باعث می شود تا به عنوان یک ماده یکبار مصرف تأیید شود.
  • از باتری ها کارآمد تر هستند.
  • در مقایسه با باتری ها نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد.

ابر خازن ها انرژی را در میدان الکتریکی خود ذخیره می کنند ، اما در صورت وجود باتری ، آنها از ترکیبات شیمیایی برای ذخیره انرژی استفاده می کنند. همچنین به دلیل قابلیت شارژ سریع و تخلیه سریع ، ابر خازن ها به آرامی وارد بازار باتری می شوند. مقاومت داخلی پایین با راندمان بسیار بالا ، بدون هزینه تعمیر و نگهداری و طول عمر بالاتر ، دلیل اصلی تقاضای زیاد آن در بازار مدرن مربوط به منبع انرژی است.

انرژی در خازن

یک خازن انرژی را در قالب Q = C × V ذخیره می کند. Q مخفف شارژ به Coulomb و C ظرفیت خازن به فاراد و V ولتاژ به ولت است. بنابراین اگر ما ظرفیت خازن را افزایش دهیم، انرژی ذخیره شده Q نیز افزایش پیدا خواهد کرد.

واحد ظرفیت خازن فاراد (F) است که به پاس از M. Faraday نام گذاری شده است. فاراد واحد ظرفیت خازن با توجه به coulomb/volt است. اگر ما بگوییم یک خازن با 1 فاراد، بسته به شارژ یک coulomb ، اختلاف پتانسیل یک ولتی بین صفحاتش ایجاد می کند.

یک فاراد، یک مقدار بسیار بزرگ خازن، برای استفاده به عنوان یک مولفه ی الکترونیکی عمومی است. در الکترونیک، به طور کلی، برای ظرفیت خازن از میکروفاراد تا پیکو فاراد استفاده می شود. میکروفاراد به عنوان uF (1/1,000,000 Farad یا 10⁶F ) ، نانو فاراد به عنوان nF (1/1,000,000,000 یا 10⁹F) و پیکو فاراد به عنوان pF (1/1,000,000,000,000 یا 10¹²F ) مشخص شده است.

اگر میخواهید آردوینو را به صورت اصولی و پروژه محور (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط آردوینو با اندروید، ساخت ربات با آردوینو) یاد بگیرید، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.

اگر مقدار بسیار بیشتر شود، مثل mF برای چند فاراد (به طور کلی < 10F)، ینی خازن می تواند انرژی بیشتری را بین صفحاتش نگه دارد، این خازن تحت عنوان Ultra capacitor یا Supercapacitor خوانده می شود.

انرژی ذخیره شده در یک خازن E = ½CV² ژول است. E انرژی ذخیره شده به ژول، C ظرفیت خازن به فاراد و V اختلاف پتانسیل بین صفحات است‌.

ساختار یک ابر خازن (Supercapacitor)

ابر خازن، یک دستگاه الکتروشیمیایی است. جالب اینکه هیچ گونه واکنش شیمیایی در ذخیره ی انرژی الکتریکی آن دخالت ندارد. آن ها یک ساختمان منحصر به فرد، با یک صفحه ی بزرگ رسانا یا الکترود، که نزدیک قسمت سطح یک صفحه ی بسیار کوچک واقع شده است، دارند. ساختار آن همانند یک خازن الکترولیتی با یک الکترولیت مایع یا مرطوب بین الکترودهایش است. میتوانید در مورد تفاوت انواع خازن ها در این جا یاد بگیرید. ابر خازن به عنوان یک وسیله الکترواستاتیک ، انرژی الکتریکی خود را به عنوان میدان الکتریکی بین الکترودهای رسانا ذخیره میکند.

ساختار یک ابر خازن (Supercapacitor)

الکترودها ، قرمز و آبی ، دو طرفه روکش شده اند. آنها به طور کلی از کربن گرافیت به شکل نانولوله های کربنی یا ژل یا نوع خاصی از کربن های فعال کننده رسانا ساخته می شوند.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

برای انسداد جریان بزرگ الکترون بین الکترودها و عبور از یون مثبت ، از غشای کاغذی متخلخل استفاده می شود. غشای کاغذی همچنین الکترودها را از هم جدا می کند. همانطور که در تصویر بالا می بینیم ، غشای کاغذ متخلخل در وسط قرار دارد که به رنگ سبز است. الکترود و جداکننده کاغذ با الکترولیت مایع آغشته می شوند. از فویل آلومینیومی به عنوان یک جمع کننده جریان که اتصال برق را برقرار می کند استفاده می شود.

صفحه جداسازی و مساحت صفحات مسئولیت ظرفیت خازن را به عهده دارد. این رابطه را می توان به صورت زیر عنوان کرد :

فرمول محاسبه ظرفیت ابر خازن

در اینجا ،

  • Ɛ نفوذپذیری ماده موجود بین صفحات است .
  • A مساحت صفحه است.
  • D جدایی بین صفحات است.

بنابراین ، در صورت وجود ابر خازن ، سطح تماس باید افزایش یابد ، اما محدودیتی وجود دارد. ما نمی توانیم شکل یا اندازه خازن را افزایش دهیم. برای غلبه بر این محدودیت از نوع ویژه ای از الکترولیتها برای افزایش رسانایی بین صفحات استفاده می شود و در نتیجه ظرفیت آن افزایش می یابد.

ابر خازن ها را به عنوان خازن دو لایه نیز می نامند. دلیلی در پشت آن وجود دارد. جداسازی بسیار کوچک و مساحت بزرگ با استفاده از الکترولیت ویژه و لایه سطح یونهای الکترولیتی ، یک لایه دوتایی را تشکیل می دهد. این ،دو ساختار خازن را می سازد، یکی در هر یک از الکترودهای کربن، که یک خازن دولایه نامیده می شود.

این سازه ها یک اشکال دارند. ولتاژ در خازن به دلیل  تجزیه الکترولیت بسیار کم می شود. ولتاژ به مواد الکترولیت وابسته است ، این ماده می تواند ظرفیت ذخیره انرژی الکتریکی خازن را محدود کند.بنابراین ، به دلیل ولتاژ پایین پایانه ، می توان یک ابرخازن را به صورت سری متصل کرد تا بار الکتریکی را در یک ولتاژ مفید ذخیره کند. به همین دلیل ، ابر خازن در سری ها ولتاژ بالاتری از حد معمول تولید می کند و به موازات آن ، ظرفیت آن بزرگتر می شود. با روش زیر ساخت Supercapacitor Array Construction به روشنی قابل درک است.

ساختار آرایش و نظم ابر خازن

برای ذخیره شارژ در یک ولتاژ مورد نیاز مفید ، باید ابرخازن ها به صورت سری متصل شوند و برای افزایش ظرفیت، آنها باید به موازات هم وصل شوند.

بیایید ساختار آرایش ابر خازن را ببینیم.

ساختار آرایش و نظم ابر خازن

در تصویر بالا ، ولتاژ یک سلول یا خازن منفرد به عنوان CV مشخص شده است ، در حالی که خازن یک سلول منفرد به عنوان Cc مشخص شده است.  دامنه ولتاژ یک ابرخازن از 1 ولت تا 3 ولت است ، اتصالات سری باعث افزایش ولتاژ میشوند و همچنین خازن های بیشتر، که به طور موازی بسته شدند ظرفیت خازن را افزایش می دهد.

اگر آرایش و نظم را درست کنیم ، ولتاژ به صورت سری خواهد بود:

ولتاژ کل = ولتاژ سلول (cv) * تعداد ردیف ها

Total voltage = Cell Voltage (Cv) x Number of rows

و ظرفیت به طور موازی خواهد بود:

ظرفیت کل = ظرفیت سلول (cc) * (تعداد ستون ها / تعداد ردیف ها)

Total capacitance =Cell Capacitance (Cc) x (Number of Column / Number of Row) 

مثال

ما باید یک دستگاه ذخیره سازی پشتیبان ایجاد کنیم و برای آن یک ابر 2.5 فاراد یا ابرخازن با حد مجاز 6 ولت مورد نیاز است. اگر ما نیاز به ایجاد آرایش با استفاده از خازن 1F با درجه 3V داشته باشیم ، پس اندازه آرایش و مقادیر خازن ها چقدر باید باشد؟

Total voltage = Cell Voltage x Row number
Then, Row number = 6/3
Row number = 2

ولتاژ کل = ولتاژ سلول x تعداد ردیف

تعداد ردیف= 6/3 = 2

یعنی دو خازن سری، اختلاف پتانسیل 6 ولت دارند.

 حالا ، ظرفیت:

ظرفیت کل = ظرفیت سلول x (تعداد ستون / تعداد ردیف)

سپس ، تعداد ستون = (2.5 * 2) / 1

Total capacitance = Cell capacitance x (Column Number / Row Number)
Then, Coloumn number = (2.5 x 2) / 1 

بنابراین ، ما به 2 ردیف و 5 ستون نیاز داریم.

بیایید آرایش را بسازیم.

ابر خازن چیست؟

کل انرژی ذخیره شده در آرایش (ارایه) است:

کل انرژی ذخیره شده در آرایش خازن ها

ابرخازن در ذخیره انرژی و مکانی که به شارژ سریع یا تخلیه سریع لازم است ، خوب است. از آن به عنوان دستگاههای پشتیبان استفاده می شود ، که در آن به منبع تغذیه ی پشتیبان یا تخلیه سریع نیاز است. آنها بیشتر در چاپگرها ، اتومبیل ها و انواع دستگاه های الکترونیکی قابل شرب، استفاده می شوند.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید
امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. مالکیتی بر مطالب ارائه شده ندارم. اکثر فعالیت بنده در زمینه ترجمه است. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

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