با پر کردن شکاف بین خازن‌های الکترولیتی و باتری‌های قابل شارژ، ابرخازن‌ها در کاربردهای بسیاری، جایگاه خود را پیدا می‌کنند. فناوران مجموعه آی سی پارس، در این مقاله به بررسی ابرخازن ها پرداخته اند.
ابرخازن ها برای چه مواردی استفاده می شوند؟
ابرخازن‌ها دستگاه‌های پیشرفته ذخیره‌سازی انرژی هستند که طیف گسترده‌ای از ویژگی‌های مطلوب از جمله ظرفیت خازنی بالا، چگالی توان بالا و زمان‌های طولانی در چرخه را ارائه می‌دهند. ابرخازن‌ها که به‌عنوان اولتراخازن نیز شناخته می‌شوند و به طور موثر، شکافی را که در حال حاضر بین خازن‌های الکترولیتی و باتری‌های قابل شارژ وجود دارد، می‌پوشانند.
حداقل برای آینده نزدیک، باتری‌ها انتخاب ارجح برای ذخیره مقادیر زیادی انرژی در دوره‌های زمانی طولانی باقی خواهند ماند.
کاربردهای ابرخازن ها و مزایای متعدد آنها
در طول چند دهه گذشته، ابرخازن‌ها از یک طراحی عجیب و غریب و منحصربه‌فرد به یک فناوری معمولی تر تبدیل شده‌اند که برای برنامه‌های مختلف از پشتیبان‌گیری باتری گرفته تا جلوگیری از پاک شدن تصادفی حافظه ذخیره‌سازی، مناسبند. مهندسین به سبب مزایای متعدد این فناوری، از جمله عملکرد عالی و قابلیت اطمینان، به سمت ابرخازن‌ها جذب شده اند. در تصویر زیر بخشی از مهمترین مزایای ابرخازن ها نسبت به باتری ها نمایش داده شده است:
همچنین هنگامی که برای پشتیبانی از باتری استفاده می شود، فناوری ابرخازن می تواند به طور قابل توجهی طول عمر باتری اولیه / ثانویه را، (معمولاً حداقل 2 برابر) افزایش دهد.
انواع ابرخازن
عملکرد ابرخازن تا حد زیادی به مواد الکترود و الکترولیت آن بستگی دارد. الکترودهای سطح بالای ابرخازن از یک ماده متخلخل تشکیل شده اند. بار معمولاً نزدیک به مرزی که بین الکترولیت و ماده الکترود وجود دارد ذخیره می شود. برای خازن های دو لایه، الکترودها معمولاً از آیروژل کربن، پارچه کربنی یا کربن سیاه ایجاد می شوند. برخی از ابرخازن ها دارای یک الکترولیت آبی هستند در حالی که برخی دیگر دارای یک الکترولیت آلی هستند. الکترولیت های آلی رایج شامل استونیتریل و کربنات پروپیلن هستند.
ابرخازن‌های استوانه‌ای، ابزار اصلی این فناوری هستند. این دستگاه‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که راه‌حلی را برای طیف گسترده‌ای از مهندسان فناوری صنعتی و مصرف‌کننده ارائه می‌کنند که ویژگی‌های مدیریت توان پالس بهینه را ارائه می‌دهد و به طور قابل‌توجهی از رقبا بهتر عمل می‌کند.
برنامه های کاربردی متعدد
اگرچه ابرخازن‌ها یک فناوری نسبتاً جدید هستند (حداقل در مقایسه با خازن‌های سنتی)، این قطعات اکنون برای استفاده در طیف گسترده‌ای از کاربردها طراحی و تولید شده اند. یکی از اولین کاربردهای ابرخازن، به‌عنوان پشتیبان برای باتری‌های اولیه به منظور رفع وقفه‌های کوتاه برق یا هموارسازی جریان الکتریکی بود. در این نقش پرکاربرد، ابرخازن‌ها را می‌توان در منابع تغذیه بدون وقفه (UPS)، سیستم‌های هشدار بی‌سیم، کنتورهای هوشمند و حتی درایوهای حالت جامد (SSD ) یافت.
ابرخازن ها همچنین به طور گسترده ای برای تامین انرژی در کاربردهای پالسی، تله متری، کمک حداکثر توان و قفل های الکترونیکی استفاده می شوند. علاوه بر این، بسیاری از مهندسان به فناوری ابرخازن به عنوان بهترین راه برای راه‌اندازی ژنراتورهای پشتیبان در هنگام قطع برق و تامین برق تا زمانی که سوئیچ به سرعت کامل برسد، روی می‌آورند. در ژاپن، ابرخازن‌های بزرگ اغلب در ساختمان‌های تجاری نصب می‌شوند تا مصرف شبکه را در زمان‌های اوج تقاضا کاهش دهند و بارگذاری را آسان کنند.
ابرخازن‌ها هم‌اکنون به‌عنوان برداشت‌کننده انرژی برای جذب و ذخیره انرژی جمع‌آوری‌شده از سلول‌های خورشیدی، توربین‌های بادی، امواج اقیانوس و دیگر منابع خارجی برای تأمین انرژی مصارف الکترونیک کم مصرف استفاده می‌شوند. ابرخازن‌ها که می‌توانند در محیط‌های خشن در طیف وسیعی از دمای عملیاتی کار کنند و در عین حال چگالی توان و قابلیت اطمینان بالا را ارائه می‌دهند، برای استفاده در حسگر اینترنت اشیا (IoT ) و طراحی ارتباطات نیز ایده‌آل هستند. همچنین دستگاه های الکترونیکی قابل حمل، مانند تلفن های هوشمند، ساعت های هوشمند، ماژول های GSM/GPRS و دستگاه های پزشکی پوشیدنی، همگی می توانند از فناوری ابرخازن بهره مند شوند. به عنوان مثال، هانی‌ول اکنون یک اسکنر UPC بدون باتری با نیروی ابرخازن ارائه می‌کند که در عرض چند ثانیه کاملاً شارژ می‌شود. سازنده وعده عمر هشت سال و تقریباً شش برابر بیشتر از باتری های لیتیوم یون استاندارد را داده است.
بخش خودرو به عنوان یکی دیگر از پذیرنده‌های برتر ابرخازن در حال ظهور است و این فناوری را در سیستم‌های مختلف خودرو ادغام می‌کند. عملکردهای Start/Stop و فرمان برقی می توانند از ویژگی های عملکردی و تحمل دمای این فناوری بهره مند شوند. در پایین جاده، ابرخازن ها توانایی شارژ سریع باتری های خودروهای هیبریدی را به همراه موتور بنزینی خودرو نوید می دهند. نصب ابرخازن در خودروهای هیبریدی به آنها امکان می دهد، مسافت های طولانی تری را با کنترل قدرت و کارایی بالا طی کنند.
صنعت ریلی نیز در سال های اخیر از پتانسیل برداشت انرژی از فناوری ابرخازن بهره می گیرد. برای مثال، شرکت راه‌آهن اسپانیایی CAF، Greentech Evodrive را ارائه می‌کند، یک سیستم جمع‌آوری انرژی مبتنی بر ابرخازن که برای ترامواهای خیابانی طراحی شده است. این فناوری انرژی جنبشی آزاد شده در ترمز را بازیابی می کند و در نتیجه بازده انرژی کلی تراموا را بهبود می بخشد.
محبوبیت ابرخازن ها افزایش می یابد
ابرخازن‌ها یک فناوری ذخیره‌سازی انرژی هستند که به سرعت در حال رشد هستند و به یک انتخاب طراحی محبوب برای تعداد فزاینده‌ای از کاربردها تبدیل شده‌اند. با وجود این واقعیت که باتری‌های لیتیوم یونی اکنون در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های شخصی و تجاری استفاده می‌شوند، این فناوری هرگز قادر به رقابت با ابرخازن‌ها از نظر چگالی توان و تعداد سیکل‌های شارژ/دشارژ نخواهد بود.
همزمان با رشد محبوبیت و کاربردهای ابرخازن ها، محققان در سراسر جهان در تلاش هستند تا با بررسی اشکال جدید مواد دی الکتریک، مانند نانولوله های کربنی، پلی پیرول و تیتانات باریم، عملکرد و سازگاری این قطعات را افزایش دهند، که همگی نویدبخش بهبود ظرفیت خازنی و چگالی انرژی هستند.
