วิธีทำตัวเก็บประจุความจุสูงไฟฟ้าแรงสูง ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ถูกนำมาใช้ในรถยนต์ไฮบริดอย่างไร? เข้าถึงตลาด? ไม่เร็วเท่าที่ฉันต้องการ

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถเรียกได้ว่าเป็นการพัฒนาที่สว่างที่สุด ปีที่ผ่านมา. เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุทั่วไปที่มีขนาดเท่ากัน ความจุจะต่างกันสามขนาด ด้วยเหตุนี้ตัวเก็บประจุจึงได้รับคำนำหน้า - "super" พวกมันสามารถปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมาได้ในช่วงเวลาอันสั้น

มีจำหน่ายในขนาดและรูปร่างต่างๆ:ตั้งแต่ขนาดเล็กมากซึ่งติดตั้งบนพื้นผิวของอุปกรณ์ซึ่งมีขนาดไม่ใหญ่ไปกว่าเหรียญไปจนถึงทรงกระบอกและปริซึมที่มีขนาดใหญ่มาก วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อทำซ้ำแหล่งที่มาหลัก (แบตเตอรี่) ในกรณีที่แรงดันไฟฟ้าตก

ระบบอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้าสมัยใหม่ที่ใช้พลังงานสูงสำหรับจ่ายไฟกำลังผลักดันไปข้างหน้า ความต้องการสูง. อุปกรณ์เกิดใหม่ (ตั้งแต่กล้องดิจิตอลไปจนถึงอุปกรณ์มือถืออิเล็กทรอนิกส์และระบบส่งสัญญาณของรถยนต์ไฟฟ้า) จำเป็นต้องจัดเก็บและจ่ายพลังงานที่จำเป็น

นักพัฒนาสมัยใหม่แก้ปัญหานี้ได้สองวิธี:

การใช้แบตเตอรี่ที่สามารถส่งกระแสพัลส์กระแสสูงได้
โดยการเชื่อมต่อแบบขนานกับแบตเตอรี่เพื่อเป็นประกันสำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เช่น โซลูชัน "ไฮบริด"

ในกรณีหลังนี้ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลง นี่เป็นเพราะว่าแบตเตอรี่มี ความหนาแน่นสูงพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานต่ำในขณะที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ตรงกันข้ามมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ แต่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเช่น พวกเขาให้กระแสคายประจุให้กับโหลด ด้วยการเชื่อมต่อซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบขนานกับแบตเตอรี่ คุณจะสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและช่วยยืดอายุการใช้งานอีกด้วย

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ใช้ที่ไหน?

วิดีโอ: การทดสอบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ 116.6F 15V (6* 700F 2.5V) แทนแบตเตอรี่สตาร์ทเตอร์ในรถยนต์

ในรถยนต์ ระบบอิเล็กทรอนิกส์ใช้สำหรับสตาร์ทเครื่องยนต์จึงช่วยลดภาระของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ยังช่วยให้คุณลดน้ำหนักได้ด้วยการลด แผนภาพการเดินสายไฟ. มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฮบริด โดยที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกควบคุมโดยเครื่องยนต์สันดาปภายใน และมอเตอร์ไฟฟ้า (หรือมอเตอร์) ขับเคลื่อนรถยนต์ เช่น ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ (แคชพลังงาน) ถูกใช้เป็นแหล่งกระแสในระหว่างการเร่งความเร็วและการเคลื่อนไหว และจะถูก "ชาร์จใหม่" ระหว่างการเบรก การใช้งานของพวกเขามีแนวโน้มไม่เพียง แต่ในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการขนส่งในเมืองด้วยเนื่องจากตัวเก็บประจุชนิดใหม่ทำให้สามารถลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงลง 50% และลดการปล่อยก๊าซที่เป็นอันตรายออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ 90%

ฉันยังไม่สามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้ทั้งหมด แต่เป็นเพียงเรื่องของเวลาเท่านั้น การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่นั้นไม่ได้วิเศษเลย หากนักนาโนเทคโนโลยีจากมหาวิทยาลัย QUT เดินตามเส้นทางที่ถูกต้อง สิ่งนี้จะกลายเป็นความจริงในอนาคตอันใกล้นี้ แผงตัวถังที่มีซุปเปอร์คาปาซิเตอร์อยู่ข้างในสามารถทำหน้าที่เป็นแบตเตอรี่ได้ รุ่นล่าสุด. พนักงานของมหาวิทยาลัยนี้สามารถรวมข้อดีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ไว้ในอุปกรณ์ใหม่ได้ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ใหม่ที่บาง เบา และทรงพลังประกอบด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอนซึ่งมีอิเล็กโทรไลต์อยู่ระหว่างอิเล็กโทรด นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าผลิตภัณฑ์ใหม่นี้สามารถติดตั้งได้ทุกที่ในร่างกาย

ด้วยแรงบิดสูง (แรงบิดเริ่มต้น) จึงสามารถปรับปรุงคุณลักษณะการออกสตาร์ทที่อุณหภูมิต่ำและขยายขีดความสามารถของระบบไฟฟ้าได้ทันที ความได้เปรียบในการใช้งานในระบบไฟฟ้าอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเวลาในการชาร์จ/คายประจุคือ 5-60 วินาที นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในระบบกระจายของอุปกรณ์เครื่องจักรบางชนิดได้ เช่น โซลินอยด์ ระบบปรับล็อคประตู และตำแหน่งกระจกหน้าต่าง

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ DIY

คุณสามารถสร้างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้ด้วยมือของคุณเอง เนื่องจากการออกแบบประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด คุณจึงต้องตัดสินใจเลือกวัสดุสำหรับสิ่งเหล่านั้น ทองแดง สแตนเลส หรือทองเหลืองค่อนข้างเหมาะสำหรับอิเล็กโทรด คุณสามารถใช้เหรียญห้าโกเปคเก่าได้ คุณจะต้องใช้ผงคาร์บอนด้วย (คุณสามารถซื้อถ่านกัมมันต์ได้ที่ร้านขายยาแล้วบด) น้ำธรรมดาจะทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งคุณต้องละลายเกลือแกง (100:25) สารละลายผสมกับผงถ่านเพื่อให้เป็นสีโป๊วที่สม่ำเสมอ ตอนนี้จะต้องทากับอิเล็กโทรดทั้งสองเป็นชั้นหลายมิลลิเมตร

สิ่งที่เหลืออยู่คือการเลือกปะเก็นที่แยกอิเล็กโทรดผ่านรูที่อิเล็กโทรไลต์จะผ่านได้อย่างอิสระ แต่ผงคาร์บอนจะยังคงอยู่ ไฟเบอร์กลาสหรือยางโฟมเหมาะสำหรับวัตถุประสงค์เหล่านี้

ขั้วไฟฟ้า – 1.5; การเคลือบคาร์บอนอิเล็กโทรไลต์ – 2.4; ปะเก็น – 3.

คุณสามารถใช้กล่องพลาสติกเป็นปลอกโดยเจาะรูไว้ก่อนหน้านี้สำหรับสายไฟที่บัดกรีกับอิเล็กโทรด หลังจากเชื่อมต่อสายไฟเข้ากับแบตเตอรี่แล้ว เรารอให้การออกแบบ "ionix" ชาร์จ ซึ่งตั้งชื่อดังกล่าวเนื่องจากความเข้มข้นของไอออนที่แตกต่างกันควรก่อตัวบนอิเล็กโทรด ตรวจสอบประจุได้ง่ายกว่าโดยใช้โวลต์มิเตอร์

มีวิธีอื่นอยู่ ตัวอย่างเช่นการใช้กระดาษดีบุก (ฟอยล์ดีบุก - กระดาษห่อช็อคโกแลต) ชิ้นส่วนของดีบุกและกระดาษแว็กซ์ซึ่งคุณสามารถทำเองได้โดยการตัดและจุ่มแถบกระดาษทิชชูลงในพาราฟินที่ละลาย แต่ไม่เดือดเป็นเวลาสองสามนาที ความกว้างของแถบควรเป็นห้าสิบมิลลิเมตรและความยาวตั้งแต่สองร้อยถึงสามร้อยมิลลิเมตร หลังจากดึงแถบพาราฟินออกแล้ว คุณต้องใช้มีดด้านทื่อขูดพาราฟินออก

กระดาษชุบพาราฟินพับเป็นรูปหีบเพลง (ดังภาพ) ทั้งสองด้านแผ่น staniol จะถูกแทรกเข้าไปในช่องว่างซึ่งมีขนาด 45x30 มิลลิเมตร เมื่อเตรียมชิ้นงานแล้วจึงพับเก็บแล้วรีดด้วยเหล็กอุ่น ปลายสแตนออลที่เหลือเชื่อมต่อกันจากด้านนอก ในการทำเช่นนี้คุณสามารถใช้แผ่นกระดาษแข็งและแผ่นทองเหลืองพร้อมคลิปดีบุกซึ่งจะมีการบัดกรีตัวนำในภายหลังเพื่อให้สามารถบัดกรีตัวเก็บประจุระหว่างการติดตั้งได้

ความจุของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับจำนวนใบสตานิออล ตัวอย่างเช่น จะเท่ากับหนึ่งพันพิโกฟารัดเมื่อใช้สิบแผ่นดังกล่าว และสองพันหากจำนวนเพิ่มขึ้นสองเท่า เทคโนโลยีนี้เหมาะสำหรับการผลิตตัวเก็บประจุที่มีความจุสูงถึงห้าพันพิโคฟารัด

หากต้องการความจุขนาดใหญ่คุณจะต้องมีตัวเก็บประจุกระดาษไมโครฟารัดเก่าซึ่งเป็นม้วนเทปที่ประกอบด้วยแถบกระดาษแว็กซ์ซึ่งระหว่างนั้นจะมีแถบฟอยล์สตานิออลวางอยู่

หากต้องการกำหนดความยาวของแถบให้ใช้สูตร:

l = 0.014 C/a โดยที่ความจุของตัวเก็บประจุที่ต้องการใน pF คือ C; ความกว้างของแถบเป็นซม. – a: ความยาวเป็นซม. – 1

หลังจากคลี่แถบที่มีความยาวตามต้องการออกจากตัวเก็บประจุเก่าแล้ว ให้ตัดฟอยล์ขนาด 10 มม. ออกทุกด้านเพื่อป้องกันไม่ให้แผ่นตัวเก็บประจุเชื่อมต่อกัน

จะต้องม้วนเทปขึ้นอีกครั้ง แต่ก่อนอื่นให้บัดกรีลวดตีเกลียวเข้ากับฟอยล์แต่ละแถบ โครงสร้างถูกปิดด้วยกระดาษหนาด้านบน และมีลวดยึดสองเส้น (แข็ง) ปิดผนึกไว้ที่ขอบของกระดาษที่ยื่นออกมา ซึ่งตะกั่วจากตัวเก็บประจุจะถูกบัดกรีที่ด้านในของปลอกกระดาษ (ดูรูป) ขั้นตอนสุดท้ายคือการเติมพาราฟินลงในโครงสร้าง

ข้อดีของคาร์บอนซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

เนื่องจากการเคลื่อนตัวของยานพาหนะไฟฟ้าทั่วโลกในปัจจุบันเป็นสิ่งที่ไม่อาจมองข้ามได้ นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานในประเด็นที่เกี่ยวข้องกับมัน ชาร์จเร็วที่สุด. ความคิดมากมายเกิดขึ้น แต่มีเพียงไม่กี่อย่างเท่านั้นที่นำไปปฏิบัติ ตัวอย่างเช่นในประเทศจีน มีการเปิดตัวเส้นทางการคมนาคมในเมืองที่ไม่ธรรมดาในเมืองหนิงโป รถบัสที่วิ่งอยู่นั้นขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า แต่ใช้เวลาชาร์จเพียงสิบวินาทีเท่านั้น บนนั้นเขาครอบคลุมห้ากิโลเมตรและอีกครั้งในระหว่างการขึ้นเครื่อง / รับผู้โดยสารก็สามารถชาร์จใหม่ได้

สิ่งนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากการใช้ตัวเก็บประจุชนิดใหม่ - คาร์บอน

ตัวเก็บประจุคาร์บอนพวกเขาสามารถทนต่อรอบการชาร์จได้ประมาณล้านรอบและทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ลบสี่สิบถึงบวกหกสิบห้าองศา พวกมันคืนพลังงานได้มากถึง 80% ผ่านการฟื้นฟู

พวกเขาเปิดศักราชใหม่ในการจัดการพลังงาน โดยลดเวลาในการคายประจุและการชาร์จเหลือเพียงนาโนวินาที และลดน้ำหนักของยานพาหนะ ข้อได้เปรียบเหล่านี้เราสามารถเพิ่มต้นทุนที่ต่ำได้ เนื่องจากไม่ได้ใช้โลหะหายากและความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการผลิต

ผู้คนเริ่มใช้ตัวเก็บประจุเพื่อกักเก็บไฟฟ้า จากนั้น เมื่อวิศวกรรมไฟฟ้าก้าวไปไกลกว่าการทดลองในห้องปฏิบัติการ แบตเตอรี่ก็ถูกประดิษฐ์ขึ้น ซึ่งกลายเป็นวิธีการหลักในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้า แต่ในตอนต้นของศตวรรษที่ 21 มีการเสนอให้ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอีกครั้ง เป็นไปได้อย่างไร และแบตเตอรี่จะกลายเป็นอดีตไปแล้วหรือไม่?

สาเหตุที่ตัวเก็บประจุถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่ก็เนื่องมาจากปริมาณไฟฟ้าที่สามารถจัดเก็บได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ อีกเหตุผลหนึ่งก็คือในระหว่างการคายประจุ แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าหรืออาจเป็นการออกแบบที่เรียบง่ายมาก

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ก็คือ ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุไฟฟ้าโดยตรง ในขณะที่แบตเตอรี่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี แล้วเก็บไว้ แล้วแปลงพลังงานเคมีกลับเป็นพลังงานไฟฟ้า

ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ส่วนหนึ่งจะสูญหายไป ดังนั้นแม้แต่แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดก็ยังมีประสิทธิภาพไม่เกิน 90% ในขณะที่ตัวเก็บประจุก็สามารถเข้าถึงได้ 99% ความรุนแรงของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นแบตเตอรี่จึงทำงานได้แย่ลงอย่างเห็นได้ชัดในสภาพอากาศหนาวเย็นมากกว่าที่อุณหภูมิห้อง นอกจากนี้ ปฏิกิริยาเคมีในแบตเตอรี่ไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้น จำนวนรอบการชาร์จ-คายประจุเพียงเล็กน้อย (จากหลักพัน โดยทั่วไปอายุการใช้งานแบตเตอรี่จะอยู่ที่ประมาณ 1,000 รอบการชาร์จ) รวมถึง "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" ขอให้เราระลึกว่า "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" คือแบตเตอรี่จะต้องถูกคายประจุจนมีพลังงานสะสมจำนวนหนึ่งเสมอ จากนั้นความจุของแบตเตอรี่จะสูงสุด หากหลังจากการคายประจุแล้วยังมีพลังงานเหลืออยู่มากขึ้น ความจุของแบตเตอรี่จะค่อยๆ ลดลง “เอฟเฟกต์หน่วยความจำ” เป็นลักษณะของแบตเตอรี่ที่ผลิตเชิงพาณิชย์เกือบทุกประเภท ยกเว้นแบตเตอรี่ที่เป็นกรด (รวมถึงแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ เช่น เจลและ AGM) แม้ว่าจะเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าลิเธียมไอออนและ แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์มันไม่ปกติ ที่จริงแล้ว พวกมันก็มีมันเหมือนกัน แค่แสดงออกมาให้เห็นในระดับที่น้อยกว่าในประเภทอื่นๆ สำหรับแบตเตอรี่กรด จะแสดงผลของเพลตซัลเฟต ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อแหล่งพลังงานอย่างถาวร สาเหตุหนึ่งคือแบตเตอรี่ยังคงอยู่ในสถานะชาร์จน้อยกว่า 50% เป็นเวลานาน

ในส่วนของพลังงานทดแทน “ผลของหน่วยความจำ” และเพลตซัลเฟตถือเป็นปัญหาร้ายแรง ความจริงก็คือการจัดหาพลังงานจากแหล่งต่างๆ เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์และกังหันลมเป็นสิ่งที่คาดเดาได้ยาก เป็นผลให้การชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่เกิดขึ้นอย่างวุ่นวายในโหมดที่ไม่เหมาะสม

สำหรับจังหวะชีวิตสมัยใหม่ เป็นที่ยอมรับไม่ได้อย่างยิ่งที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่เป็นเวลาหลายชั่วโมง ตัวอย่างเช่น คุณจินตนาการถึงการขับรถระยะทางไกลด้วยรถยนต์ไฟฟ้าหากแบตเตอรี่หมดทำให้คุณติดอยู่ที่จุดชาร์จเป็นเวลาหลายชั่วโมง ความเร็วในการชาร์จของแบตเตอรี่ถูกจำกัดด้วยความเร็วของกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่ คุณสามารถลดเวลาในการชาร์จลงเหลือ 1 ชั่วโมง แต่ต้องไม่เกินสองสามนาที ในเวลาเดียวกัน อัตราการชาร์จของตัวเก็บประจุจะถูกจำกัดด้วยกระแสสูงสุดที่เครื่องชาร์จได้รับเท่านั้น

ข้อเสียที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ทำให้ต้องใช้ตัวเก็บประจุแทนอย่างเร่งด่วน

โดยใช้ไฟฟ้าสองชั้น

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามีความจุสูงสุด ในนั้นแผ่นหนึ่งเป็นโลหะฟอยล์ อีกแผ่นเป็นอิเล็กโทรไลต์ และฉนวนระหว่างแผ่นเป็นโลหะออกไซด์ซึ่งเคลือบฟอยล์ สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ความจุสามารถเข้าถึงหนึ่งในร้อยของฟารัด ซึ่งไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่จนหมด

เปรียบเทียบการออกแบบ ประเภทต่างๆตัวเก็บประจุ (ที่มา: Wikipedia)

ความจุขนาดใหญ่ซึ่งวัดเป็นพันฟารัดสามารถทำได้โดยตัวเก็บประจุซึ่งเรียกว่าชั้นไฟฟ้าสองชั้น หลักการทำงานมีดังนี้ สองเท่า ชั้นไฟฟ้าเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการที่ส่วนต่อประสานของสารในสถานะของแข็งและของเหลว ไอออนสองชั้นก่อตัวขึ้นโดยมีประจุที่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามแต่มีขนาดเท่ากัน หากเราทำให้สถานการณ์ง่ายขึ้นอย่างมากก็จะเกิดตัวเก็บประจุขึ้น "แผ่นเปลือกโลก" ซึ่งเป็นชั้นไอออนที่ระบุซึ่งมีระยะห่างระหว่างซึ่งเท่ากับหลายอะตอม

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีความจุหลากหลายที่ผลิตโดย Maxwell

ตัวเก็บประจุที่มีพื้นฐานจากผลกระทบนี้บางครั้งเรียกว่าไอออนไนเซอร์ ในความเป็นจริง คำนี้ไม่เพียงแต่หมายถึงตัวเก็บประจุที่เก็บประจุไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุปกรณ์อื่น ๆ สำหรับกักเก็บไฟฟ้าด้วยการแปลงพลังงานไฟฟ้าบางส่วนเป็นพลังงานเคมีพร้อมกับการเก็บประจุไฟฟ้า (ไฮบริดไอโอนิสเตอร์) เช่นเดียวกับสำหรับ แบตเตอรี่ที่ใช้ชั้นไฟฟ้าสองชั้น (เรียกว่า pseudocapacitors) ดังนั้นคำว่า "ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์" จึงเหมาะสมกว่า บางครั้งใช้คำว่า "ultracapacitor" ที่เหมือนกันแทน

การใช้งานด้านเทคนิค

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ประกอบด้วยถ่านกัมมันต์สองแผ่นที่เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์ ระหว่างนั้นมีเมมเบรนที่ช่วยให้อิเล็กโทรไลต์ผ่านไปได้ แต่ป้องกันการเคลื่อนไหวทางกายภาพของอนุภาคถ่านกัมมันต์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก

ควรสังเกตว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นไม่มีขั้ว ในสิ่งนี้พวกเขาแตกต่างโดยพื้นฐานจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าซึ่งตามกฎแล้วมีลักษณะเป็นขั้วการไม่ปฏิบัติตามซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตาม ขั้วยังถูกนำไปใช้กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วย นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ออกจากสายการประกอบของโรงงานที่มีการชาร์จแล้วและเครื่องหมายระบุขั้วของประจุนี้

พารามิเตอร์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ความจุสูงสุดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แต่ละตัวที่ได้รับในขณะที่เขียนคือ 12,000 F. สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตจำนวนมากนั้นจะต้องไม่เกิน 3,000 F. แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตระหว่างเพลตไม่เกิน 10 V. สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ ตามกฎแล้วตัวเลขนี้อยู่ภายใน 2.3 – 2.7 V. แรงดันไฟฟ้าขณะทำงานต่ำต้องใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าพร้อมฟังก์ชันโคลง ความจริงก็คือในระหว่างการคายประจุแรงดันไฟฟ้าบนแผ่นตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนไปในช่วงกว้าง การสร้างตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเพื่อเชื่อมต่อโหลดและ ที่ชาร์จเป็นงานที่ไม่สำคัญ สมมติว่าคุณต้องจ่ายไฟให้กับโหลด 60W

เพื่อให้การพิจารณาปัญหาง่ายขึ้น เราจะละเลยการสูญเสียในตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าและตัวปรับเสถียรภาพ ในกรณีที่คุณทำงานด้วย แบตเตอรี่ปกติด้วยแรงดันไฟฟ้า 12 V อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมจะต้องทนกระแส 5 A อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวแพร่หลายและราคาไม่แพง แต่สถานการณ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเกิดขึ้นเมื่อใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ 2.5 V จากนั้นกระแสที่ไหลผ่านส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ของตัวแปลงสามารถเข้าถึง 24 A ซึ่งต้องใช้แนวทางใหม่ในเทคโนโลยีวงจรและฐานองค์ประกอบที่ทันสมัย มันเป็นความยากลำบากในการสร้างคอนเวอร์เตอร์และโคลงที่สามารถอธิบายความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ การผลิตแบบอนุกรมซึ่งเริ่มต้นย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ 20 ปัจจุบันเพิ่งเริ่มมีการใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา

แผนภาพแหล่งที่มา แหล่งจ่ายไฟสำรอง
แรงดันไฟฟ้าบนซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะมีการใช้ส่วนประกอบหลัก
บนไมโครวงจรเดียวที่ผลิตโดย LinearTechnology

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถต่อเข้ากับแบตเตอรี่ได้โดยใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนาน ในกรณีแรก แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตจะเพิ่มขึ้น ในกรณีที่สอง - ความจุ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตด้วยวิธีนี้เป็นวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหา แต่คุณจะต้องจ่ายโดยการลดความจุ

ขนาดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ขึ้นอยู่กับความจุของมันโดยธรรมชาติ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปที่มีความจุ 3000 F เป็นทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ซม. และยาว 14 ซม. ด้วยความจุ 10 F ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะมีขนาดเทียบได้กับเล็บมือของมนุษย์

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ดีสามารถทนต่อรอบการประจุและคายประจุได้นับแสนครั้ง ซึ่งเกินกว่าแบตเตอรี่ประมาณ 100 เท่าในพารามิเตอร์นี้ แต่เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุไฟฟ้า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ต้องเผชิญกับปัญหาการเสื่อมสภาพเนื่องจากการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ทีละน้อย จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการสะสมสถิติที่สมบูรณ์เกี่ยวกับความล้มเหลวของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วยเหตุผลนี้ แต่จากข้อมูลทางอ้อม อายุการใช้งานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถประมาณได้ที่ 15 ปี

พลังงานสะสม

ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ แสดงเป็นจูล:

อี = จุฬาฯ 2 /2,
โดยที่ C คือความจุ แสดงเป็นฟารัด U คือแรงดันไฟฟ้าบนเพลต แสดงเป็นโวลต์

ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุซึ่งแสดงเป็น kWh คือ:

W = จุฬา 2 /7200000

ดังนั้นตัวเก็บประจุที่มีความจุ 3000 F ที่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่น 2.5 V จึงสามารถจัดเก็บได้เพียง 0.0026 kWh สิ่งนี้เปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างไร ถ้าคุณยอมรับมัน แรงดันขาออกเป็นอิสระจากระดับการคายประจุและเท่ากับ 3.6 V จากนั้นปริมาณพลังงาน 0.0026 kWh จะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความจุ 0.72 Ah อนิจจาผลลัพธ์ที่เจียมเนื้อเจียมตัวมาก

การประยุกต์ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ระบบไฟส่องสว่างฉุกเฉินเป็นที่ที่การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่สร้างความแตกต่างอย่างแท้จริง ในความเป็นจริงมันเป็นแอปพลิเคชั่นนี้ที่โดดเด่นด้วยการคายประจุที่ไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ ขอแนะนำให้ชาร์จหลอดไฟฉุกเฉินอย่างรวดเร็วและแหล่งพลังงานสำรองที่ใช้ในนั้นมีความน่าเชื่อถือมากกว่า แหล่งพลังงานสำรองที่ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถรวมเข้าด้วยกันได้โดยตรง หลอดไฟ LED T8. โคมไฟดังกล่าวผลิตโดยบริษัทจีนหลายแห่งแล้ว

ไฟพื้น LED ขับเคลื่อน
จากแผงโซลาร์เซลล์ การเก็บพลังงาน
ซึ่งจะดำเนินการในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ตามที่ระบุไว้แล้ว การพัฒนาซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ส่วนใหญ่เกิดจากความสนใจในแหล่งพลังงานทดแทน แต่ การใช้งานจริงปัจจุบันจำกัดอยู่เพียงหลอด LED ที่ได้รับพลังงานจากแสงอาทิตย์เท่านั้น

การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อสตาร์ทอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังพัฒนาอย่างแข็งขัน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถส่งพลังงานปริมาณมากได้ในระยะเวลาอันสั้น ด้วยการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าเมื่อสตาร์ทเครื่องจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะทำให้โหลดพีคบนโครงข่ายไฟฟ้าลดลง และท้ายที่สุด อัตรากระแสไหลเข้าจะลดลง ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนได้มหาศาล

ด้วยการรวมซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายตัวเข้ากับแบตเตอรี่ เราจึงสามารถมีความจุที่เทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้า แต่แบตเตอรี่นี้จะมีน้ำหนักมากกว่าแบตเตอรี่หลายเท่าซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้สำหรับรถยนต์ ปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน แต่ปัจจุบันมีอยู่ในรูปแบบต้นแบบเท่านั้น อย่างไรก็ตาม Yo-mobile รุ่นที่มีแนวโน้มดีซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าเท่านั้น จะใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รุ่นใหม่ซึ่งพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียเป็นแหล่งพลังงาน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังจะเป็นประโยชน์ต่อการเปลี่ยนแบตเตอรี่ในรถยนต์เบนซินหรือดีเซลทั่วไป ซึ่งการใช้งานในยานพาหนะดังกล่าวได้เกิดขึ้นจริงแล้ว

ในขณะเดียวกันโครงการที่ดำเนินการแล้วที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดสำหรับการแนะนำซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นถือได้ว่าเป็นรถรางที่ผลิตในรัสเซียรุ่นใหม่ซึ่งเพิ่งปรากฏบนถนนในมอสโก เมื่อการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังเครือข่ายหน้าสัมผัสถูกขัดจังหวะ หรือเมื่อตัวสะสมปัจจุบัน "บินออกไป" รถรางสามารถเดินทางด้วยความเร็วต่ำ (ประมาณ 15 กม./ชม.) เป็นระยะทางหลายร้อยเมตรไปยังสถานที่ที่ไม่รบกวนการจราจร บนถนน. แหล่งพลังงานสำหรับการซ้อมรบดังกล่าวคือแบตเตอรี่ของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

โดยทั่วไปแล้ว ในตอนนี้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถแทนที่แบตเตอรี่ได้เฉพาะใน "ช่อง" บางแห่งเท่านั้น แต่เทคโนโลยีกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เราสามารถคาดหวังได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ขอบเขตของการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะขยายออกไปอย่างมาก

สาเหตุที่ตัวเก็บประจุถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่ก็เนื่องมาจากปริมาณไฟฟ้าที่สามารถจัดเก็บได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ อีกเหตุผลหนึ่งก็คือในระหว่างการคายประจุ แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าหรืออาจเป็นการออกแบบที่เรียบง่ายมาก

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ก็คือ ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุไฟฟ้าโดยตรง ในขณะที่แบตเตอรี่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี แล้วเก็บไว้ แล้วแปลงพลังงานเคมีกลับเป็นพลังงานไฟฟ้า

ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ส่วนหนึ่งจะสูญหายไป ดังนั้นแม้แต่แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดก็ยังมีประสิทธิภาพไม่เกิน 90% ในขณะที่ตัวเก็บประจุก็สามารถเข้าถึงได้ 99% ความรุนแรงของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นแบตเตอรี่จึงทำงานได้แย่ลงอย่างเห็นได้ชัดในสภาพอากาศหนาวเย็นมากกว่าที่อุณหภูมิห้อง นอกจากนี้ ปฏิกิริยาเคมีในแบตเตอรี่ไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้น จำนวนรอบการชาร์จ-คายประจุเพียงเล็กน้อย (จากหลักพัน โดยทั่วไปอายุการใช้งานแบตเตอรี่จะอยู่ที่ประมาณ 1,000 รอบการชาร์จ) รวมถึง "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" ขอให้เราระลึกว่า "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" คือแบตเตอรี่จะต้องถูกคายประจุจนมีพลังงานสะสมจำนวนหนึ่งเสมอ จากนั้นความจุของแบตเตอรี่จะสูงสุด หากหลังจากการคายประจุแล้วยังมีพลังงานเหลืออยู่มากขึ้น ความจุของแบตเตอรี่จะค่อยๆ ลดลง “เอฟเฟกต์หน่วยความจำ” เป็นลักษณะของแบตเตอรี่ที่ผลิตเชิงพาณิชย์เกือบทุกประเภท ยกเว้นแบตเตอรี่ที่เป็นกรด (รวมถึงแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ เช่น เจลและ AGM) แม้ว่าจะเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและลิเธียมโพลีเมอร์ไม่มีแบตเตอรี่ดังกล่าว แต่ในความเป็นจริงแล้วแบตเตอรี่เหล่านั้นก็มีแบตเตอรี่ดังกล่าวด้วย แต่ก็แสดงออกมาให้เห็นในระดับที่น้อยกว่าในประเภทอื่นๆ สำหรับแบตเตอรี่กรด จะแสดงผลของเพลตซัลเฟต ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อแหล่งพลังงานอย่างถาวร สาเหตุหนึ่งคือแบตเตอรี่ยังคงอยู่ในสถานะชาร์จน้อยกว่า 50% เป็นเวลานาน

ในส่วนของพลังงานทดแทน “ผลของหน่วยความจำ” และเพลตซัลเฟตถือเป็นปัญหาร้ายแรง ความจริงก็คือการจัดหาพลังงานจากแหล่งต่างๆ เช่น แผงโซลาร์เซลล์และกังหันลม เป็นเรื่องยากที่จะคาดเดาได้ เป็นผลให้การชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่เกิดขึ้นอย่างวุ่นวายในโหมดที่ไม่เหมาะสม

สำหรับจังหวะชีวิตสมัยใหม่ เป็นที่ยอมรับไม่ได้อย่างยิ่งที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่เป็นเวลาหลายชั่วโมง ตัวอย่างเช่น คุณจินตนาการถึงการขับรถระยะทางไกลด้วยรถยนต์ไฟฟ้าหากแบตเตอรี่หมดทำให้คุณติดอยู่ที่จุดชาร์จเป็นเวลาหลายชั่วโมง ความเร็วในการชาร์จของแบตเตอรี่ถูกจำกัดด้วยความเร็วของกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่ คุณสามารถลดเวลาในการชาร์จลงเหลือ 1 ชั่วโมง แต่ต้องไม่เกินสองสามนาที ในเวลาเดียวกัน อัตราการชาร์จของตัวเก็บประจุจะถูกจำกัดด้วยกระแสสูงสุดที่เครื่องชาร์จได้รับเท่านั้น

ข้อเสียที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ทำให้ต้องใช้ตัวเก็บประจุแทนอย่างเร่งด่วน

โดยใช้ไฟฟ้าสองชั้น

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามีความจุสูงสุด ในนั้นแผ่นหนึ่งเป็นโลหะฟอยล์ อีกแผ่นเป็นอิเล็กโทรไลต์ และฉนวนระหว่างแผ่นเป็นโลหะออกไซด์ซึ่งเคลือบฟอยล์ สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ความจุสามารถเข้าถึงหนึ่งในร้อยของฟารัด ซึ่งไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่จนหมด

ความจุขนาดใหญ่ซึ่งวัดเป็นพันฟารัดสามารถทำได้โดยตัวเก็บประจุซึ่งเรียกว่าชั้นไฟฟ้าสองชั้น หลักการทำงานมีดังนี้ ชั้นไฟฟ้าสองชั้นจะปรากฏขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการที่ส่วนต่อประสานของสารในเฟสของแข็งและของเหลว ไอออนสองชั้นก่อตัวขึ้นโดยมีประจุที่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามแต่มีขนาดเท่ากัน หากเราทำให้สถานการณ์ง่ายขึ้นอย่างมากก็จะเกิดตัวเก็บประจุขึ้น "แผ่นเปลือกโลก" ซึ่งเป็นชั้นไอออนที่ระบุซึ่งมีระยะห่างระหว่างซึ่งเท่ากับหลายอะตอม

ตัวเก็บประจุที่มีพื้นฐานจากผลกระทบนี้บางครั้งเรียกว่าไอออนไนเซอร์ ในความเป็นจริง คำนี้ไม่เพียงแต่หมายถึงตัวเก็บประจุที่เก็บประจุไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุปกรณ์อื่น ๆ สำหรับกักเก็บไฟฟ้าด้วยการแปลงพลังงานไฟฟ้าบางส่วนเป็นพลังงานเคมีพร้อมกับการเก็บประจุไฟฟ้า (ไฮบริดไอโอนิสเตอร์) เช่นเดียวกับสำหรับ แบตเตอรี่ที่ใช้ชั้นไฟฟ้าสองชั้น (เรียกว่า pseudocapacitors) ดังนั้นคำว่า "ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์" จึงเหมาะสมกว่า บางครั้งใช้คำว่า "ultracapacitor" ที่เหมือนกันแทน

การใช้งานด้านเทคนิค

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ประกอบด้วยถ่านกัมมันต์สองแผ่นที่เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์ ระหว่างนั้นมีเมมเบรนที่ช่วยให้อิเล็กโทรไลต์ผ่านไปได้ แต่ป้องกันการเคลื่อนไหวทางกายภาพของอนุภาคถ่านกัมมันต์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก

ควรสังเกตว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นไม่มีขั้ว ในสิ่งนี้พวกเขาแตกต่างโดยพื้นฐานจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าซึ่งตามกฎแล้วมีลักษณะเป็นขั้วการไม่ปฏิบัติตามซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตาม ขั้วยังถูกนำไปใช้กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วย นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ออกจากสายการประกอบของโรงงานที่มีการชาร์จแล้วและเครื่องหมายระบุขั้วของประจุนี้

พารามิเตอร์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ความจุสูงสุดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แต่ละตัวที่ได้รับในขณะที่เขียนคือ 12,000 F. สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตจำนวนมากนั้นจะต้องไม่เกิน 3,000 F. แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตระหว่างเพลตไม่เกิน 10 V. สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ ตามกฎแล้วตัวเลขนี้อยู่ภายใน 2.3 – 2.7 V. แรงดันไฟฟ้าขณะทำงานต่ำต้องใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าพร้อมฟังก์ชันโคลง ความจริงก็คือในระหว่างการคายประจุแรงดันไฟฟ้าบนแผ่นตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนไปในช่วงกว้าง การสร้างตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเพื่อเชื่อมต่อโหลดและอุปกรณ์ชาร์จเป็นงานที่ไม่สำคัญ สมมติว่าคุณต้องจ่ายไฟให้กับโหลด 60W

เพื่อให้การพิจารณาปัญหาง่ายขึ้น เราจะละเลยการสูญเสียในตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าและตัวปรับเสถียรภาพ หากคุณใช้งานแบตเตอรี่ 12 V ทั่วไป อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมจะต้องสามารถทนกระแสไฟ 5 A ได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวแพร่หลายและราคาไม่แพง แต่สถานการณ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเกิดขึ้นเมื่อใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ 2.5 V จากนั้นกระแสที่ไหลผ่านส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ของตัวแปลงสามารถเข้าถึง 24 A ซึ่งต้องใช้แนวทางใหม่ในเทคโนโลยีวงจรและฐานองค์ประกอบที่ทันสมัย มันเป็นความซับซ้อนของการสร้างคอนเวอร์เตอร์และโคลงที่สามารถอธิบายความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ซึ่งการผลิตแบบอนุกรมซึ่งเริ่มขึ้นในทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ 20 เพิ่งเริ่มมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขาเท่านั้น

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถต่อเข้ากับแบตเตอรี่ได้โดยใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนาน ในกรณีแรก แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตจะเพิ่มขึ้น ในกรณีที่สอง - ความจุ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตด้วยวิธีนี้เป็นวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหา แต่คุณจะต้องจ่ายโดยการลดความจุ

ขนาดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ขึ้นอยู่กับความจุของมันโดยธรรมชาติ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปที่มีความจุ 3000 F เป็นทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ซม. และยาว 14 ซม. ด้วยความจุ 10 F ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะมีขนาดเทียบได้กับเล็บมือของมนุษย์

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ดีสามารถทนต่อรอบการประจุและคายประจุได้นับแสนครั้ง ซึ่งเกินกว่าแบตเตอรี่ประมาณ 100 เท่าในพารามิเตอร์นี้ แต่เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุไฟฟ้า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ต้องเผชิญกับปัญหาการเสื่อมสภาพเนื่องจากการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ทีละน้อย จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการสะสมสถิติที่สมบูรณ์เกี่ยวกับความล้มเหลวของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วยเหตุผลนี้ แต่จากข้อมูลทางอ้อม อายุการใช้งานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถประมาณได้ที่ 15 ปี

พลังงานสะสม

ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ แสดงเป็นจูล:

โดยที่ C คือความจุ แสดงเป็นฟารัด U คือแรงดันไฟฟ้าบนเพลต แสดงเป็นโวลต์

ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุซึ่งแสดงเป็น kWh คือ:

ดังนั้นตัวเก็บประจุที่มีความจุ 3000 F ที่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่น 2.5 V จึงสามารถจัดเก็บได้เพียง 0.0026 kWh สิ่งนี้เปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างไร หากเราถือว่าแรงดันเอาต์พุตไม่ขึ้นอยู่กับระดับการคายประจุและเท่ากับ 3.6 V ดังนั้นปริมาณพลังงาน 0.0026 kWh จะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความจุ 0.72 Ah อนิจจาผลลัพธ์ที่เจียมเนื้อเจียมตัวมาก

การประยุกต์ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ระบบไฟส่องสว่างฉุกเฉินเป็นที่ที่การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่สร้างความแตกต่างอย่างแท้จริง ในความเป็นจริงมันเป็นแอปพลิเคชั่นนี้ที่โดดเด่นด้วยการคายประจุที่ไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ ขอแนะนำให้ชาร์จหลอดไฟฉุกเฉินอย่างรวดเร็วและแหล่งพลังงานสำรองที่ใช้ในนั้นมีความน่าเชื่อถือมากกว่า สามารถรวมแหล่งจ่ายไฟสำรองที่ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เข้ากับหลอดไฟ LED T8 ได้โดยตรง โคมไฟดังกล่าวผลิตโดยบริษัทจีนหลายแห่งแล้ว

ตามที่ระบุไว้แล้ว การพัฒนาซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ส่วนใหญ่เกิดจากความสนใจในแหล่งพลังงานทดแทน แต่การใช้งานจริงยังจำกัดอยู่เพียงหลอดไฟ LED ที่ได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์เท่านั้น

การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อสตาร์ทอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังพัฒนาอย่างแข็งขัน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถส่งพลังงานปริมาณมากได้ในระยะเวลาอันสั้น ด้วยการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าเมื่อสตาร์ทเครื่องจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะทำให้โหลดพีคบนโครงข่ายไฟฟ้าลดลง และท้ายที่สุด อัตรากระแสไหลเข้าจะลดลง ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนได้มหาศาล

ด้วยการรวมซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายตัวเข้ากับแบตเตอรี่ เราจึงสามารถมีความจุที่เทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้า แต่แบตเตอรี่นี้จะมีน้ำหนักมากกว่าแบตเตอรี่หลายเท่าซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้สำหรับรถยนต์ ปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน แต่ปัจจุบันมีอยู่ในรูปแบบต้นแบบเท่านั้น อย่างไรก็ตาม Yo-mobile รุ่นที่มีแนวโน้มดีซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าเท่านั้น จะใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รุ่นใหม่ซึ่งพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียเป็นแหล่งพลังงาน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังจะเป็นประโยชน์ต่อการเปลี่ยนแบตเตอรี่ในรถยนต์เบนซินหรือดีเซลทั่วไป ซึ่งการใช้งานในยานพาหนะดังกล่าวได้เกิดขึ้นจริงแล้ว

ในขณะเดียวกันโครงการที่ดำเนินการแล้วที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดสำหรับการแนะนำซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นถือได้ว่าเป็นรถรางที่ผลิตในรัสเซียรุ่นใหม่ซึ่งเพิ่งปรากฏบนถนนในมอสโก เมื่อการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังเครือข่ายหน้าสัมผัสถูกขัดจังหวะ หรือเมื่อตัวสะสมปัจจุบัน "บินออกไป" รถรางสามารถเดินทางด้วยความเร็วต่ำ (ประมาณ 15 กม./ชม.) เป็นระยะทางหลายร้อยเมตรไปยังสถานที่ที่ไม่รบกวนการจราจร บนถนน. แหล่งพลังงานสำหรับการซ้อมรบดังกล่าวคือแบตเตอรี่ของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

โดยทั่วไปแล้ว ในตอนนี้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถแทนที่แบตเตอรี่ได้เฉพาะใน "ช่อง" บางแห่งเท่านั้น แต่เทคโนโลยีกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เราสามารถคาดหวังได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ขอบเขตของการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะขยายออกไปอย่างมาก

อเล็กเซย์ วาซิลีฟ

เครื่องสร้างประจุไอออนเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่ออกแบบมาเพื่อกักเก็บพลังงานไฟฟ้า มีลักษณะพิเศษด้วยอัตราการคายประจุที่สูง (มากถึงหลายหมื่นครั้ง) มีอายุการใช้งานยาวนานมาก ไม่เหมือนแบตเตอรี่อื่นๆ ( แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้และเซลล์กัลวานิก) กระแสรั่วไหลต่ำ และที่สำคัญ ไอออนไนเซอร์สามารถมีความจุขนาดใหญ่และมีขนาดเล็กมาก เครื่องสร้างประจุไอออนพบการใช้งานที่หลากหลายใน คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล,วิทยุติดรถยนต์, อุปกรณ์เคลื่อนที่และอื่น ๆ ออกแบบมาเพื่อจัดเก็บหน่วยความจำเมื่อถอดแบตเตอรี่หลักออกหรือปิดเครื่อง เมื่อเร็วๆ นี้ ไอออนไนเซอร์มักถูกนำมาใช้ในระบบไฟฟ้าอัตโนมัติโดยใช้แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์

เครื่องสร้างประจุไอออนยังเก็บประจุไว้เป็นเวลานานมากโดยไม่คำนึงถึงสภาพอากาศ พวกมันทนทานต่อน้ำค้างแข็งและความร้อนและจะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์ แต่อย่างใด ในบางส่วน วงจรอิเล็กทรอนิกส์ในการจัดเก็บหน่วยความจำ คุณต้องมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าของไอออนิสเตอร์ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ไอโอนิสเตอร์จะเชื่อมต่อแบบอนุกรม และเพื่อเพิ่มความจุของไอออนิสเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบขนาน การเชื่อมต่อแบบหลังส่วนใหญ่จะใช้เพื่อเพิ่มเวลาการทำงานของไอออนิสเตอร์ เช่นเดียวกับเพื่อเพิ่มกระแสที่จ่ายให้กับโหลด เพื่อให้กระแสไฟสมดุลในการเชื่อมต่อแบบขนาน ตัวต้านทานจะเชื่อมต่อกับไอออนิสเตอร์แต่ละตัว

ไอออนไนเซอร์มักใช้กับแบตเตอรี่และไม่กลัวเลย ลัดวงจรและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยรอบอย่างกะทันหัน ทุกวันนี้มีการพัฒนาไอออนิสเตอร์แบบพิเศษด้วยความจุขนาดใหญ่และกระแสสูงถึง 1 แอมแปร์ ดังที่ทราบกันดีว่ากระแสไอออนิสเตอร์ที่ใช้ในเทคโนโลยีการจัดเก็บหน่วยความจำในปัจจุบันนั้นไม่เกิน 100 มิลลิแอมป์นี่เป็นหนึ่งเดียวที่มากที่สุด ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของตัวสร้างประจุไอออน แต่ไม่สามารถชดเชยได้ด้วยข้อดีที่ระบุไว้ข้างต้นของตัวสร้างประจุไอออน บนอินเทอร์เน็ต คุณจะพบการออกแบบมากมายโดยใช้สิ่งที่เรียกว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ - พวกมันยังเป็นไอโอนิสเตอร์ด้วย เครื่องสร้างประจุไอออนปรากฏขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ - 20 ปีที่แล้ว

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ความจุไฟฟ้าของโลกของเราคือ 700 ไมโครฟารัดเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุธรรมดา... ตัวสร้างประจุไอออนส่วนใหญ่ทำจากถ่านซึ่งหลังจากการเปิดใช้งานและการดูแลเป็นพิเศษจะมีรูพรุน แผ่นโลหะสองแผ่นถูกกดให้แน่นกับช่องด้วย ถ่านหิน การสร้างไอโอนิสเตอร์ที่บ้านนั้นง่ายมาก แต่การได้คาร์บอนที่มีรูพรุนนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย คุณต้องแปรรูปถ่านที่บ้านและนี่ค่อนข้างเป็นปัญหาดังนั้นจึงง่ายกว่าที่จะซื้อไอโอนิสเตอร์และทำการทดลองที่น่าสนใจกับมัน ตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์ (กำลังและแรงดันไฟฟ้า) ของไอออนิสเตอร์ตัวเดียวก็เพียงพอแล้วสำหรับ LED ที่จะส่องสว่างอย่างสว่างและเป็นเวลานานหรือทำงานได้

ถ่านกัมมันต์หนึ่งช้อนโต๊ะจากร้านขายยา น้ำเกลือสองสามหยด แผ่นดีบุก และขวดพลาสติกใส่ฟิล์มถ่ายภาพ ก็เพียงพอที่จะทำ ไอออนไนเซอร์ DIY, ตัวเก็บประจุไฟฟ้าซึ่งมีความจุประมาณเท่ากับความจุไฟฟ้า ... ของโลก ขวดเลย์เดน.

เป็นไปได้ที่หนังสือพิมพ์อเมริกันฉบับหนึ่งเขียนเกี่ยวกับอุปกรณ์ดังกล่าวในปี พ.ศ. 2320: "... ดร. แฟรงคลินได้ประดิษฐ์เครื่องจักรขนาดเท่ากล่องไม้จิ้มฟันที่สามารถเปลี่ยนมหาวิหารเซนต์ปอลในลอนดอนให้กลายเป็นขี้เถ้ากำมือได้ ” อย่างไรก็ตามสิ่งแรกสุดก่อน

มนุษยชาติใช้ไฟฟ้ามานานกว่าสองศตวรรษเล็กน้อย แต่มนุษย์รู้จักปรากฏการณ์ทางไฟฟ้ามาเป็นเวลาหลายพันปีแล้ว และไม่มีนัยสำคัญในทางปฏิบัติมาเป็นเวลานาน เฉพาะตอนต้นศตวรรษที่ 18 เมื่อวิทยาศาสตร์กลายเป็นความบันเทิงที่ทันสมัย นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Otto von Guericke ได้สร้างเครื่องจักร "อิเล็กโทรฟอริก" สำหรับทำการทดลองในที่สาธารณะโดยเฉพาะ โดยได้รับความช่วยเหลือจากกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่ไม่เคยมีมาก่อน

เครื่องจักรประกอบด้วยลูกบอลแก้ว ซึ่งมีแผ่นหนังถูอยู่ขณะหมุน ผลของงานของเธอนั้นยอดเยี่ยมมาก: ประกายไฟแตก แรงไฟฟ้าที่มองไม่เห็นฉีกผ้าคลุมไหล่ของผู้หญิงออกและทำให้ผมตั้งตรง ประชาชนรู้สึกประหลาดใจเป็นพิเศษกับความสามารถของร่างกายในการสะสมประจุไฟฟ้า

ในปี 1745 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์จาก Leiden Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) เทน้ำลงในขวดแก้ว ใส่ลวดเข้าไปข้างในเหมือนดอกไม้ในแจกัน แล้วใช้ฝ่ามือกำอย่างระมัดระวังแล้วนำไปที่ เครื่องอิเล็กโทร ขวดเก็บกระแสไฟฟ้าได้มากจนเกิดประกายไฟที่สว่างจ้าพุ่งออกมาจากเศษลวดพร้อมกับ "เสียงคำรามอึกทึก" ครั้งต่อไปที่นักวิทยาศาสตร์ใช้นิ้วสัมผัสลวดเขาก็ถูกกระแทกจนหมดสติ หากไม่ใช่เพราะผู้ช่วย Kuneus ที่มาถึงทันเวลา เรื่องคงจบลงอย่างน่าเศร้า

ดังนั้นจึงมีการสร้างอุปกรณ์ที่สามารถสะสมประจุได้มากกว่าวัตถุใดๆ ที่รู้จักในขณะนั้นนับล้านเท่า มันถูกเรียกว่า "ขวดเลย์เดน" มันเป็นตัวเก็บประจุชนิดหนึ่ง แผ่นหนึ่งเป็นฝ่ามือของผู้ทดลอง อิเล็กทริกเป็นผนังกระจก และแผ่นที่สองเป็นน้ำ

ข่าวการประดิษฐ์นี้แพร่กระจายไปทั่วยุโรปที่รู้แจ้ง โถ Leyden ถูกใช้เพื่อให้ความรู้แก่พระเจ้าหลุยส์ที่ 15 แห่งฝรั่งเศสในทันที การแสดงก็เริ่มขึ้น ในการทดลองครั้งหนึ่งในประวัติศาสตร์ ไฟฟ้าพวกเขาเดินผ่านโซ่ยามที่จับมือกัน เมื่อกระแสไฟฟ้ากระทบ ทุกคนก็กระโดดขึ้นมาเป็นหนึ่งเดียว ราวกับว่าพวกเขากำลังจะเดินขึ้นไปในอากาศ การทดลองอีกอย่างหนึ่ง กระแสไฟฟ้าไหลผ่านภิกษุ 700 รูป...

การทดลองกับโถ Leyden ในอเมริกามีทิศทางที่เป็นประโยชน์มากกว่า ในปี 1747 พวกเขาเริ่มต้นโดยหนึ่งในผู้ก่อตั้งสหรัฐอเมริกา ซึ่งก็คือเบนจามิน แฟรงคลิน ที่กล่าวถึงไปแล้ว เขามีความคิดที่จะห่อขวดด้วยกระดาษฟอยล์และความจุก็เพิ่มขึ้นหลายเท่าและงานก็ปลอดภัยยิ่งขึ้น ในการทดลองกับมัน แฟรงคลินได้พิสูจน์ว่าการปล่อยกระแสไฟฟ้าสามารถสร้างความร้อนและเพิ่มคอลัมน์ปรอทในเทอร์โมมิเตอร์ได้ และด้วยการแทนที่ขวดด้วยแผ่นแก้วที่ปิดด้วยฟอยล์ดีบุก แฟรงคลินได้รับตัวเก็บประจุแบบแบน ซึ่งเบากว่าขวด Leyden ที่เขาปรับปรุงหลายเท่า

ประวัติศาสตร์เงียบเกี่ยวกับอุปกรณ์ที่สามารถกักเก็บพลังงานได้มากจนตามที่หนังสือพิมพ์เขียนไว้ว่าสามารถใช้เพื่อ "เปลี่ยนมหาวิหารเซนต์พอลให้เป็นกองขี้เถ้า" แต่นี่ไม่ได้หมายความว่าบี. แฟรงคลินไม่สามารถสร้างมันขึ้นมาได้ .

และนี่คือเวลาที่จะกลับมาที่วิธีการทำ ไอออนไนเซอร์ DIY. หากคุณตุนทุกสิ่งที่คุณต้องการแล้ว ให้ลดแผ่นดีบุกลงที่ด้านล่างของกระป๋องฟิล์ม หลังจากบัดกรีลวดฉนวนลงไปแล้ว วางแผ่นกระดาษกรองไว้ด้านบน เทชั้นถ่านกัมมันต์ลงไป และหลังจากเทน้ำเค็มแล้ว ให้คลุม "แซนวิช" ของคุณด้วยอิเล็กโทรดอีกอัน

แผนผังการทำงานของเครื่องสร้างประจุไอออน

คุณมีตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี - ไอออนิสเตอร์ เป็นเรื่องที่น่าสนใจเพราะในรูขุมขนของอนุภาคถ่านกัมมันต์จะมีสิ่งที่เรียกว่าชั้นไฟฟ้าสองชั้นปรากฏขึ้น - สองชั้นตั้งอยู่ใกล้กัน ค่าไฟฟ้าของสัญญาณต่าง ๆ กล่าวคือ ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีชนิดหนึ่ง ระยะห่างระหว่างชั้นคำนวณเป็นอังสตรอม (1 อังสตรอม - 10-9 ม.) และความจุของตัวเก็บประจุดังที่ทราบกันดี ยิ่งระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกยิ่งน้อยลงเท่านั้น

ด้วยเหตุนี้พลังงานสำรองต่อหน่วยปริมาตรในชั้นสองชั้นจึงมากกว่าวัตถุระเบิดที่ทรงพลังที่สุด นี้ ขวดเลย์เดน!

ไอโอนิสเตอร์ทำงานดังนี้ ในกรณีที่ไม่มีแรงดันไฟฟ้าภายนอก ความจุของมันก็น้อยมาก แต่ภายใต้อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขั้วของตัวเก็บประจุ ชั้นถ่านหินที่อยู่ติดกันจะถูกชาร์จ ไอออนที่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามในสารละลายจะพุ่งไปที่อนุภาคถ่านหินและก่อตัวเป็นชั้นไฟฟ้าสองชั้นบนพื้นผิวของพวกมัน

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีอุตสาหกรรม (ไอออนิสเตอร์) ตัวเรือนโลหะขนาดเท่ากระดุมบรรจุถ่านกัมมันต์ 2 ชั้น โดยคั่นด้วยตัวเว้นระยะที่มีรูพรุน

กำหนดวิธีการทำ ไอออนไนเซอร์ DIY.

แผนผังของไอออนไนเซอร์แบบโฮมเมดที่ทำจากขวดพลาสติกและถ่านกัมมันต์:

1 - อิเล็กโทรดบน;

2 - สายเชื่อมต่อ;

ถ่านกัมมันต์เปียก 3.5 ชั้น

4 - ปะเก็นแยกที่มีรูพรุน;

6 - อิเล็กโทรดด้านล่าง;

7 - ร่างกาย

หากโหลดเชื่อมต่อกับขั้วของตัวเก็บประจุ ประจุที่อยู่ตรงข้ามจากพื้นผิวด้านในของอนุภาคถ่านหินจะวิ่งไปตามสายไฟเข้าหากัน และไอออนที่อยู่ในรูขุมขนจะออกมา

นั่นคือทั้งหมดที่ ตอนนี้คุณเข้าใจวิธีการทำแล้ว ไอออนไนเซอร์ DIY.

เครื่องสร้างประจุไอออนสมัยใหม่มีความจุตั้งแต่สิบถึงร้อยฟารัด เมื่อปล่อยออกมาจะสามารถพัฒนาพลังอันยิ่งใหญ่และทนทานได้มาก ในแง่ของพลังงานสำรองต่อหน่วยมวลและปริมาตรต่อหน่วย ตัวสร้างประจุไอออนยังด้อยกว่าแบตเตอรี่ แต่ถ้าคุณเปลี่ยนถ่านกัมมันต์ด้วยท่อนาโนคาร์บอนที่บางที่สุดหรือสารนำไฟฟ้าอื่นๆ ความเข้มของพลังงานของไอออนิสเตอร์อาจมีขนาดใหญ่อย่างน่าอัศจรรย์

เบนจามิน แฟรงคลิน อาศัยอยู่ในยุคที่นาโนเทคโนโลยีไม่ได้คำนึงถึงด้วยซ้ำ แต่ไม่ได้หมายความว่าจะไม่ได้ใช้ ตามที่ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี Robert Curie รายงาน เมื่อทำใบมีดจากเหล็กดามัสกัส ช่างฝีมือในสมัยโบราณใช้วิธีการนาโนเทคโนโลยีโดยไม่รู้ตัว เหล็กสีแดงเข้มโบราณยังคงความคมและทนทานอยู่เสมอด้วยองค์ประกอบพิเศษของคาร์บอนในโครงสร้างโลหะ

วัสดุนาโนบางชนิด เช่น ลำต้นของพืชที่ไหม้เกรียมซึ่งมีท่อนาโน สามารถนำไปใช้โดยแฟรงคลินเพื่อสร้างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้ มีกี่คนที่เข้าใจว่ามันคืออะไร? ขวดเลย์เดนและใครจะลองทำดู?