این مقاله به‌صورت تخصصی به معرفی خازن دو لایه الکتریکی (EDLC / Supercapacitors) می‌پردازد همچنین این مقاله کمک می‌کند در طراحی و شماتیک نقشه برد از این قطعه مهم در الکترونیک درک بهتری داشته باشید.
خازن دو لایه الکتریکی (EDLC / Supercapacitors) (یا فوق خازن‌ها) یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های خازن در سال‌های اخیر هستند که ظرفیت DC بسیار بالا و چگالی انرژی بالا را ارائه می‌دهند. قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیری طراحی آن برای ارائه طیف گسترده‌ای از راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی برنامه‌های کاربردی صنعتی، خودرو تا سیستم‌های پشتیبان شبکه انرژی بزرگ به اثبات رسیده است.
گاهی اوقات همه ابرخازن‌ها به‌اشتباه (EDLC) (خازن‌الکتریکی دولایه) نامیده می‌شوند، اما (EDLC)زیرمجموعه‌ای از خانواده ابرخازن‌ها است از زمان معرفی، ابرخازن‌ها ثابت کرده‌اند که بسیار قابل‌اعتماد هستند. با کارکرد طولانی‌مدت و عملاً بدون فرسودگی چرخه شارژ/دشارژ.
ابرخازن‌ها به‌عنوان رسانه ذخیره‌سازی انرژی (DC)، ذخیره‌سازی کوتاه شارژ با توان بالا (سیستم‌های راه‌اندازی خودرو)، پشتیبان‌گیری برای حافظه‌های نیمه‌هادی و ریزپردازنده‌ها و غیره استفاده می‌شوند. دو مکانیسم اساسی برای ذخیره شارژ وجود دارد:
- ذخیره‌سازی شارژ الکترواستاتیک
- ذخیره‌سازی شارژ الکتروشیمیایی شبه خازن
ذخیره‌سازی الکترواستاتیکی بر اساس تجمع بار در تله‌های بار در لایه‌های Helmholtz)) (داخلی و بیرونی) است.
ذخیره‌سازی شبه خازن یک فرایند الکتروشیمیایی است که در آن بار توسط یون‌های جذب شده انباشته می‌شود.
ویژگی‌های خازن دو لایه الکتریکی (EDLC / Supercapacitors)
در این بخش از مقاله، ویژگی‌های خازن الکتریکی دولایه را در نظر بگیریم. اول‌ازهمه، در مورد مشخصات دشارژ، برخلاف باتری‌های ذخیره‌ساز، تغییر ولتاژ خطی است و امکان تخلیه تا ۰ ولت وجود دارد، بنابراین به‌راحتی می‌توان شارژ باقی‌مانده را پیش‌بینی کرد.
خصوصیات تخلیه به‌گونه‌ای است که ولتاژ به‌صورت خطی کاهش می‌یابد. بااین‌حال، تغییرات دما را باید نظر گرفت اول “ظرفیت” است. در دماهای بسیار پایین، ظرفیت تمایل به کاهش دارد. به طور مشابه، “مقاومت داخلی DC” افزایش می‌یابد که از مقاومت ذاتی مواد تشکیل‌دهنده و مقاومت اتصال داخلی تشکیل شده است.
از سوی دیگر، هنگامی که دما افزایش می‌یابد، این “جریان نشتی” و “ویژگی‌های نگهدارنده ولتاژ (ویژگی‌های خود تخلیه) ” هستند که تحت‌تأثیر قرار می‌گیرند. در دماهای بالا، جریان نشتی افزایش می‌یابد که به نوبه خود ویژگی‌های نگهدارنده ولتاژ را بدتر می‌کند.
قدرت سطح خازن الکتریکی دولایه (EDLC / ابرخازن)
بر خلاف خازن‌های معمولی، خازن الکتریکی دولایه (EDLC / ابرخازن) الکتریکی هستند، زیرا لایه‌ای به نام لایه دوگانه الکتریکی که دارای قطبیت مخالف قطب است، در اطراف الکترودهای الکترولیت تشکیل می‌شود که ظرفیت افزایش می‌یابد. مانند خازن‌ها، دارای ویژگی‌های شارژ / دشارژ و چرخه تکرار با جریان بالا است. می‌توان آن را در صدها هزار تا میلیون‌ها چرخه با خرابی کمی شارژ و تخلیه کرد. تراکم خروجی بالا، امکان شارژ و دشارژ سریع را فراهم می‌کند بار محیطی کم به دلیل عدم استفاده از سرب یا کادمیوم برای الکترودها، مانند باتری‌های اسید سرب محدوده دمایی وسیعی دارد که می‌توان از آن استفاده کرد.
باتوجه‌به این ویژگی‌ها، می‌توان یک خازن الکتریکی دولایه بین اینورتر و باتری اضافه کرد تا به‌جای باتری، توان ورودی/خروجی بالایی را به موتور وارد کند. برخلاف خازن‌های عمومی، خازن‌های دولایه الکتریکی از محلول الکترولیتی به‌عنوان مشتق استفاده می‌کنند.
ازآنجایی‌که سلول یک خازن دولایه الکتریکی عمومی در حدود ۲٫۵ تا ۲٫۷ ولت است، لازم است سلول‌ها را به‌صورت سری در مواقعی که ولتاژ بالا موردنیاز است متصل کنید. برعکس، در صورت نیاز به ظرفیت، به‌صورت موازی وصل شوید. اما هنگام اتصال سری، لازم است مداری برای یکسان‌سازی مقاومت تقسیم ولتاژ و ولتاژ به‌صورت موازی برای هر سلول نصب شود تا از اضافه ولتاژ ناشی از عدم تعادل ولتاژ در هر سلول جلوگیری شود.
باتوجه‌به این خازن برقی دولایه، با پیشرفت اخیر فناوری فعال‌سازی کربن فعال، ماده‌ای با سطح ویژه بسیار بزرگ در حدود ۲۰۰۰ مترمربع در هر گرم کربن فعال مورداستفاده برای الکترودها پدیدآمده است. در نتیجه ظرفیت هر وزن در حال افزایش است. علاوه بر این، در خازن استوانه‌ای با بهره‌وری انبوه عالی، مشخصات الکتریکی مانند ظرفیت و مقاومت عنصر داخلی بسته به ضخامت الکترود، روش ساخت و ترکیب کربن فعال و محلول الکترولیتی تغییر می‌کند.
مثال‌های کاربردی از خازن دو لایه الکتریکی
مثالی کاربردی خازن الکتریکی دولایه را معرفی می‌کنیم. همچنین به معرفی «تسطیح انرژی»، «بازسازی انرژی» و «دستگاه جبران افت ولتاژ لحظه‌ای» می‌پردازیم.
ابتدا مثالی از کاربرد در «تسطیح انرژی» را معرفی می‌کنیم. این زمانی استفاده می‌شود که انرژی ورودی دارای نوسانات زمانی باشد. هنگامی که ورودی‌های زیادی وجود دارد، یک خازن الکتریکی دولایه را در بین آن قرار دهید تا خروجی کمتر از ورودی‌ها باشد. برعکس، زمانی که ورودی کوچک است، با اضافه‌کردن برق ذخیره شده در خازن دولایه الکتریکی، مقدار مشخصی برق خروجی می‌شود.
به‌عنوان‌مثال در تولید برق بادی که تحت‌تأثیر شدت باد قرار می‌گیرد و نیروگاه‌هایی که از انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده می‌کنند مانند تولید برق خورشیدی که نمی‌توانند در شب برق تولید کنند و تحت‌تأثیر میزان ابرها در روز قرار می‌گیرند، مورداستفاده قرار می‌گیرند. البته ظرفیت ذخیره‌سازی خازن‌های برقی دولایه چندان زیاد نیست، بنابراین باتری‌های ذخیره‌سازی (NAS)، باتری‌های ذخیره‌سازی جریان ردوکس، باتری‌های ذخیره‌سازی لیتیوم یون بزرگ و … در واقع انرژی را ذخیره می‌کنند، اما بافری برای ارسال مقدار مشخصی جریان به این باتری ذخیره‌سازی استفاده می‌شود.
این به این دلیل است که باتری‌های لیتیوم یونی به طور خاص از روش CC / CV به‌عنوان روش کنترل شارژ برای شارژ کامل استفاده می‌کنند، بنابراین لازم است با مقدار مشخصی جریان وارد شود؛ بنابراین چیزی مانند انرژی طبیعی که مقدار جریان ورودی را نوسان می‌کند برای سمت ورودی مطلوب نیست.
در برخی موارد، ممکن است مداری بسازیم که به طور موقت تمام الکتریسیته تولید شده را در یک خازن الکتریکی دولایه ذخیره می‌کند و سپس آن را به یک باتری ذخیره‌سازی با خروجی ثابت می‌فرستد. بااین‌حال، برخی از آنها شروع به استفاده برای ذخیره انرژی کرده‌اند.
در مورد “بازسازی انرژی” بعدی چطور؟ به‌عنوان‌مثال، در وسایل نقلیه راه‌آهن مانند (Shinkansen)، ترمز احیاکننده برای ترمزها استفاده می‌شود تا برق مصرف شده در هنگام شتاب گیری را بازیابی کند. این کاربرد دیگری است که در آن خازن‌های الکتریکی دولایه مناسب هستند. در حال حاضر در جرثقیل و مانند آن استفاده می‌شود.
با ذخیره الکتریسیته در خازن دولایه برقی هنگام بازکردن جرثقیل و استفاده از این انرژی هنگام بالابردن آن، می‌توان مصرف سوخت موتور را کاهش داد و بازده انرژی را بهبود بخشید. در هر دو مورد، انرژی که قبلاً به‌عنوان گرمای اصطکاکی تلف شده بود، بازیابی شده و به طور مؤثر استفاده می‌شود.
استفاده خازن دولایه در دستگاه جبران افت لحظه‌ای
در پایان می‌خواهیم «دستگاه جبران افت ولتاژ لحظه‌ای» را معرفی کنیم. به‌عنوان‌مثال، اگر قطعی برق یا افت آنی ولتاژ به دلیل صاعقه رخ دهد، عملکرد دستگاه ممکن است در مکان‌هایی که با تجهیزات دقیق کار می‌شود، مانند کارخانه‌ها و سایت‌های پزشکی، ناپایدار شود یا حتی از بین برود. به‌این‌ترتیب از خازن‌های برقی دولایه در مکان‌های مختلف به‌عنوان بافر برای تثبیت ورودی‌ها استفاده می‌شود.
