مكثفات 24 فولت لتوفير الطاقة. المكثفات الفائقة لبدء تشغيل المحركات. استقرار الجهد للشبكة الداخلية عند الأحمال العالية

يمكن تسمية المكثفات الفائقة بألمع تطور في السنوات الأخيرة. بالمقارنة مع المكثفات التقليدية ، فهي ، بنفس الأبعاد ، تختلف بثلاثة أوامر من حيث الحجم بسعة أكبر. لهذا ، تلقت المكثفات بادئتها - "فائقة". في فترة قصيرة من الزمن ، يمكنهم إطلاق كمية هائلة من الطاقة.

يتم إنتاجها بأحجام وأشكال مختلفة:من الصغيرة جدًا ، التي يتم توصيلها بسطح الأجهزة ، والتي لا يزيد حجمها عن عملة معدنية ، إلى الأسطوانية والمنشورية الكبيرة جدًا. الغرض الرئيسي منها هو تكرار المصدر الرئيسي (البطارية) في حالة انخفاض الجهد.

تفرض الأنظمة الإلكترونية والكهربائية الحديثة كثيفة الاستهلاك للطاقة طلبًا كبيرًا على إمدادات الطاقة. تحتاج المعدات الناشئة (من الكاميرات الرقمية إلى الأجهزة الإلكترونية المحمولة وأجهزة نقل المركبات الكهربائية) إلى تجميع وتوفير الطاقة اللازمة.

تم حل هذه المشكلة من قبل المطورين الحديثين بطريقتين:

• استخدام بطارية قادرة على توصيل نبضة تيار عالية
• من خلال التوصيل بالتوازي مع البطارية كتأمين للمكثفات الفائقة ، أي محلول هجين.

في الحالة الأخيرة ، يعمل المكثف الفائق كمصدر للطاقة عندما ينخفض ​​جهد البطارية. هذا يرجع إلى حقيقة أن البطاريات ذات كثافة طاقة عالية وكثافة طاقة منخفضة ، بينما تتميز المكثفات الفائقة ، على العكس من ذلك ، بكثافة طاقة منخفضة ، ولكن كثافة طاقة عالية ، أي أنها توفر تيار التفريغ للحمل. من خلال توصيل مكثف فائق بالتوازي مع البطارية ، يمكنك استخدامه بشكل أكثر كفاءة ، وبالتالي إطالة عمر الخدمة.

أين تستخدم المكثفات الفائقة؟

فيديو: اختبار المكثف الفائق 116.6F 15V (6 * 700F 2.5V) ، بدلاً من بطارية البداية في السيارة

في الأنظمة الإلكترونية للسيارات ، يتم استخدامها لبدء تشغيل المحركات.وبالتالي تقليل الحمل على البطارية. كما أنها تسمح لك بتقليل الوزن عن طريق تقليل مخططات الأسلاك. يتم استخدامها على نطاق واسع في السيارات الهجينة ، حيث يتحكم محرك الاحتراق الداخلي في المولد ، ويقود المحرك الكهربائي (أو المحركات) السيارة ، أي يستخدم supercapacitor (مخبأ الطاقة) كمصدر حالي أثناء التسارع وبدء الحركة ، وأثناء الكبح يتم "إعادة شحنه". يعد استخدامها واعدًا ليس فقط في سيارات الركاب ، ولكن أيضًا في النقل الحضري ، لأن النوع الجديد من المكثفات يجعل من الممكن تقليل استهلاك الوقود بنسبة 50 ٪ وتقليل انبعاث الغازات الضارة في البيئة بنسبة 90 ٪.

لا يمكنني استبدال بطارية supercapacitor بالكامل حتى الآن ، لكنها مسألة وقت فقط. إن استخدام المكثف الفائق بدلاً من البطارية ليس خيالًا على الإطلاق. إذا اتبع العلماء - خبراء تقنية النانو من جامعة QUT المسار الصحيح ، فسيصبح هذا حقيقة واقعة في المستقبل القريب. وستكون ألواح الهيكل ، التي يوجد بداخلها أحدث جيل من المكثفات الفائقة ، قادرة على العمل كبطاريات. تمكن موظفو هذه الجامعة من الجمع بين مزايا بطاريات الليثيوم أيون والمكثفات الفائقة في جهاز جديد. يتكون المكثف الفائق النحيف والخفيف والقوي الجديد من أقطاب كربونية مع إلكتروليت بينهما. يمكن تثبيت الجدة ، وفقًا للعلماء ، في أي مكان في الجسم.

للتحسين ، بفضل عزم الدوران الكبير (بدء التشغيل) ، وخصائص البدء في درجات حرارة منخفضة وتوسيع إمكانيات نظام الطاقة ، يمكنهم القيام بذلك الآن. يتم تفسير ملاءمة استخدامها في نظام الطاقة من خلال حقيقة أن وقت الشحن / التفريغ هو 5-60 ثانية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدامها في نظام التوزيع لبعض أجهزة الماكينة: الملفات اللولبية وأنظمة ضبط قفل الباب وموضع زجاج النافذة.

DIY supercapacitor

يمكنك صنع مكثف فائق بيديك. نظرًا لأن تصميمه يتكون من إلكتروليت وأقطاب كهربائية ، فأنت بحاجة إلى تحديد المواد اللازمة لها. النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس الأصفر مناسب تمامًا للأقطاب الكهربائية. يمكنك أن تأخذ ، على سبيل المثال ، عملات معدنية قديمة بخمسة كوبيك. ستحتاج أيضًا إلى مسحوق الفحم (يمكنك شراء الفحم المنشط من الصيدلية وطحنه). الماء العادي سوف "يصلح" كإلكتروليت ، حيث تحتاج إلى إذابة ملح الطعام (100: 25). يتم خلط الهاون بمسحوق الفحم لتكوين قوام المعجون. الآن يجب تطبيق طبقته المكونة من بضعة ملليمترات على كلا القطبين.

يبقى اختيار حشية تفصل بين الأقطاب الكهربائية ، عبر المسام التي يمر بها المحلول الكهربائي بحرية ، لكن مسحوق الفحم سوف يظل باقياً. الألياف الزجاجية أو المطاط الرغوي مناسب لهذه الأغراض.

أقطاب كهربائية - 1.5 ؛ طلاء بالكهرباء بالكهرباء - 2.4 ؛ حشية - 3.

يمكنك استخدام صندوق بلاستيكي كغلاف ، بعد أن تم حفر ثقوب فيه مسبقًا للأسلاك الملحومة بالأقطاب. بعد توصيل الأسلاك بالبطارية ، ننتظر حتى يتم شحن تصميم "ionix" ، وقد سمي بهذا الاسم لأنه يجب أن تتشكل تركيزات مختلفة من الأيونات على الأقطاب الكهربائية. من الأسهل التحقق من الشحن باستخدام مقياس الفولتميتر.

هناك طرق أخرى. على سبيل المثال ، استخدام ورق القصدير (ورق فولاذي - غلاف شوكولاتة) ، وقطع من القصدير والورق المشمع ، والتي يمكنك صنعها بنفسك عن طريق قطع وغمر شرائح من المناديل الورقية في البارافين الذائب ، وليس المغلي ، لبضع دقائق. يجب أن يكون عرض الشرائط خمسين ملم ، ويجب أن يكون الطول من مائتين إلى ثلاثمائة ملم. بعد إزالة الشرائح من البارافين ، من الضروري كشط البارافين بالجانب الحاد من السكين.

يتم طي الورق المشبع بالبارافين على شكل أكورديون (كما في الشكل). على كلا الجانبين ، يتم إدخال صفائح فولاذية في الفجوات ، والتي تتوافق مع حجم 45 × 30 ملم. بعد تحضير الفراغ بهذه الطريقة ، يتم طيها ، ثم تسويتها بمكواة دافئة. أطراف الإطار المتبقية متصلة ببعضها البعض من الخارج. لهذا الغرض ، يمكن استخدام ألواح من الورق المقوى والألواح النحاسية مع مشابك من الصفيح ، والتي يتم لحام الموصلات بها لاحقًا بحيث يمكن لحام المكثف أثناء التثبيت.

سعة المكثف تعتمد على عدد الصفائح الفولاذية. تساوي ، على سبيل المثال ، ألف بيكوفاراد عند استخدام عشرة من هذه الأوراق ، وألفي إذا تضاعف عددها. هذه التقنية مناسبة لتصنيع المكثفات بسعة تصل إلى خمسة آلاف بيكوفاراد.

إذا كانت هناك حاجة إلى سعة كبيرة ، فمن الضروري أن يكون لديك مكثف ورق قديم من نوع microfarad ، وهو عبارة عن لفافة من الشريط تتكون من شرائح من الورق المشمع ، يتم وضع شريط من رقائق الصلب بينها.

لتحديد طول الشرائط ، استخدم الصيغة:

l \ u003d 0.014 C / a ، حيث تكون سعة المكثف المطلوب في pF هي C ؛ عرض الشريط بالسنتيمتر أ: الطول بالسنتيمتر 1.

نظرًا لوجود شرائط غير ملفوفة بالطول المطلوب من المكثف القديم ، فقد قطعوا رقائق معدنية بحجم 10 مم من جميع الجوانب لمنع لوحات المكثف من الاتصال ببعضها البعض.

مرة أخرى ، يجب لف الشريط ، ولكن أولاً عن طريق لحام الأسلاك المجدولة لكل شريط من رقائق الألومنيوم. من الأعلى ، يتم لصق الهيكل بالورق السميك ، وعلى حواف الورقة البارزة ، يتم إغلاق سلكين متصاعدين (صلبين) ، حيث يتم لحام الورق المتجه من المكثف من داخل الغلاف (انظر الشكل) . الخطوة الأخيرة هي ملء الهيكل بالبارافين.

مزايا المكثفات الكربونية الفائقة

نظرًا لأنه لا يمكن تجاهل موكب السيارات الكهربائية في جميع أنحاء الكوكب اليوم ، يعمل العلماء على حل المشكلة المتعلقة بأسرع عملية شحن. هناك العديد من الأفكار ، ولكن القليل منها فقط هو الذي تم إحياءه. في الصين ، على سبيل المثال ، في مدينة نينغبو ، تم إطلاق طريق نقل حضري غير عادي. يتم تشغيل الحافلة التي تسير عليها بمحرك كهربائي ، ولكن يستغرق شحنها عشر ثوانٍ فقط. على متنها ، تغلب على خمسة كيلومترات ومرة ​​أخرى ، أثناء نزول / هبوط الركاب ، تمكن من إعادة الشحن.

أصبح هذا ممكنًا بفضل استخدام نوع جديد من المكثفات - الكربون.

مكثفات الكربونتحمل حوالي مليون دورة إعادة شحن ، وتعمل بشكل مثالي في نطاق درجة الحرارة من ناقص أربعين إلى زائد خمس وستين درجة. ما يصل إلى 80٪ من الطاقة تعود أثناء التعافي.

لقد بشروا بعصر جديد في إدارة الطاقة ، حيث قللوا وقت التفريغ والشحن إلى نانوثانية ، مما قلل من وزن السيارة. لهذه المزايا ، يمكنك إضافة تكلفة منخفضة ، حيث لا يتم استخدام المعادن الأرضية النادرة والود البيئي في التصنيع.

هل من الممكن استخدام المكثفات في المركبات بدلاً من البطاريات الغريبة وقصيرة العمر والتي تتطلب الصيانة؟ اتضح أن ذلك ممكن ، ومزايا المكثف أمام البطارية تكفي للتخلي عن البطاريات ، وإذا لم يكن الأمر كذلك تمامًا ، فعندئذ على الأقل تكملة سعة البطارية ، التي تقل بشكل كبير في البرد ، مع السعة من المكثف. سنتحدث عن مزايا وعيوب كلا مصدري الكهرباء في هذه المقالة.

قبل بضع سنوات فقط ، كان واحد أو اثنين من مكثفات فاراد تعتبر غريبة ولم يتم عرضها إلا في معارض عشاق الموسيقى الأثرياء. الآن يمكن شراء هذه المكثفات من أي كشك صوتي تلقائي ، وحتى المكثفات الأكبر ليس من الصعب العثور عليها في المتاجر المتخصصة التي تبيع أنظمة الصوت Hi-Fi شديدة التحمل (حول الموسيقى على سيارة أو دراجة نارية).

وما يجعلني سعيدًا بشكل خاص هو أنه في الوقت الحالي ، فإن الصناعة الروسية ، التي لا تزال تتقدم بعدة سنوات على كل من المصنعين الشرقيين والغربيين ، قد أتقنت الإنتاج على نطاق صغير لأحدث نوع من المكثفات الفائقة ، التي تبلغ سعتها عشرات الآلاف فاراد!

قليلا من النظرية.

كما تعلم ، يتكون المكثف من شحنات منفصلة - موجبة ، على قطب كهربائي على لوح واحد وشحنات سالبة على الآخر. بدون الخوض في الكثير من التفاصيل ، سألاحظ فقط أن الطاقة (السعة) التي يستطيع المكثف أن يأخذها بشكل مباشر تعتمد على مساحة ألواح القطب ، وكذلك على المسافة بينهما. وكلما كبرت هذه المساحة وصغر المسافة بين الألواح ، كلما كانت أكثر ملاءمة لتراكم شحنة أكبر.

ويترتب على ذلك أنه بزيادة الشرط الأول وإنقاص الثاني يمكن تحقيق النجاح في هذا الأمر. لكنها بهذه البساطة. وكيف هي في الواقع؟ في أحدث المكثفات ، يتم استخدام مادة الكربون المسامية لصنع القطب السالب ، وهنا تكمن المتعة الكاملة. بفضل هذه المادة ، يبدو أن الصفيحة المسطحة العادية ، بفضل هيكلها المسامي ، لها بعد ثان (تزداد مساحة الألواح). من هنا تزداد مساحة تراكم الشحنات بشكل ملحوظ!

لقد حققنا زيادة في مساحة اللوحات ، يبقى العمل مع المسافة. الاسم الجديد لأحدث المكثفات الفائقة هو المكثفات الكهربائية ذات الطبقة المزدوجة. تكمن خصوصيتها في أن الكهرباء تتراكم في منطقة خاصة ، أي عند السطح البيني بين المنحل بالكهرباء والمادة الصلبة. من هذا ، يتم تقليل المسافة بين منطقة موضع الشحنات السالبة والموجبة إلى حد كبير ، بقدر 2-3 مرات من حيث الحجم!

مما سبق ، يمكننا القول أخيرًا أن الوقت قد حان لهذه الدبابات الفائقة لتأخذ مكانها تحت غطاء السيارة ، ولكن بأي سعة؟ هناك عدة خيارات ، لكن فكر في أكثرها واقعية.

استخدام مكثف كمصدر رئيسي للكهرباء للمحرك (سحب كهربائي).

الحافلة الكهربائية Luzhok تسافر بسرعة كبيرة. يمكن رؤية الدخان المتصاعد من السخان الداخلي الذي يعمل بالبنزين من الأسفل.

في الآونة الأخيرة ، لم يأخذ أحد بطاريات السيارات الكهربائية على محمل الجد. لكن السيارات الكهربائية بدأت بالفعل في إغراق العالم ، على سبيل المثال ، تعمل سيارة أجرة كهربائية بالفعل في لندن. هذا يعني أن مسار المكثفات واضح للغاية ، خاصة إذا كنت تأخذ في الاعتبار مزاياها على البطارية ، ولكن حول المزايا بعد ذلك بقليل. دعني أقول فقط أنه يمكن رؤية مثال "حي" ، يعمل بالكهرباء من مكثفات الجر ، في الصورة على اليسار. هذه حافلة صديقة للبيئة ، وبالتحديد ، حافلة كهربائية تسمى Luzhok ، والتي يتم تصنيعها في سلسلة صغيرة في بلدة Troitsk بالقرب من موسكو (في مصنع Esma). هنا فقط ، لتسخين الداخل في الطقس البارد ، عليك تشغيل الموقد الذي يعمل بالبنزين ، لكن هذا ، كما يقولون ، هو تفاهات.

تستخدم الحافلة الكهربائية لنقل السياح لمسافات قصيرة (حتى 10 كم) ، على سبيل المثال ، عبر أراضي المنتزهات والمحميات ، والتي تخضع لقيود بيئية صارمة. ستقوم Luzhok بأول رحلاتها التجارية عبر أراضي مركز معارض موسكو عموم روسيا. تكفي شحنة واحدة من المكثفات في مكان ما لمسافة 8-10 كيلومترات. ثم شحن لمدة 10-15 دقيقة ومرة ​​أخرى على الطريق (يجب شحن البطاريات لمدة 20 ساعة على الأقل). على سبيل المثال ، إذا ذهبت إلى العمل ، والذي يمكن أن يكون في المدن الصغيرة فقط على بعد 5-10 كم ، فإن هذه السيارة ستكون هي الأكثر ، خاصة للرحلات اليومية. بعد كل شيء ، فإن دورة شحن وتفريغ المكثفات ، على عكس البطارية ، تكاد لا تنتهي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن السيارة ليست ثقيلة مثل الحافلة ، مما يعني أن المسافة المقطوعة لكل شحنة يمكن أن تزيد.

بالإضافة إلى الحافلات ، تنتج الشركة عددًا قليلاً من الغزال وعدة رافعات وسيارة كهربائية لنقل البضائع حول المصنع. الفرق الرئيسي بين كل هذه التكنولوجيا المكثفات وتكنولوجيا البطارية هو أنه يمكن استخدامها على مدار الساعة ، لأنها تستغرق بضع دقائق لشحنها. وعلى الرغم من تفريغها سريعًا أيضًا ، إلا أن عمر خدمة المكثفات يتجاوز عمر خدمة البطاريات عشر مرات.

استخدام مكثف كمساعد بطارية عند البدء في الطقس البارد.

يعد استخدام نوع جديد من المكثفات في الآلات كقوة جر ، بالطبع ، مفيدًا وممتعًا ، ولكنه ليس الأكثر صلة بالموضوع. من المفيد جدًا استخدامها كقوة كهربائية قصيرة المدى ذات سعة كبيرة ، وقبل كل شيء بدء تشغيل محرك السيارة. يتم استخدام هذا بالفعل من قبل مهندسي المعدات العسكرية ، ويتم إجراء الاختبارات والتحسينات باستمرار على معدات الجيش. على سبيل المثال ، بطاريتان كبيرتان قابلتان لإعادة الشحن تبلغ كل منهما 190 أمبير ساعة ، في درجة صقيع تقل عن 45 درجة ، قادرة على التمرير لمدة خمسة عشر ثانية فقط لبادئ كاماز (وبالتالي ، محرك كاماز المجمد). ولكن إذا قمت بالاتصال بالتوازي مع مكثف بسعة 0.18 كيلو فهرنهايت فقط ، فإن مشغل محرك كاماز سيقوم بالفعل بعمل العديد من هذه اللفائف الباردة! الفرق واضح ، وهذا مفيد بشكل خاص للمعدات المستخدمة في أقصى الشمال ، على سبيل المثال ، المعدات العسكرية ومعدات البناء.

بالطبع ، بالنسبة للسائقين الذين يعيشون في مناخات أكثر دفئًا ، فإن فوائد المكثفات التي لا تخاف من البرودة ليست مفيدة جدًا. لكن الشيء الرئيسي مختلف. المكثفات ليست خطيرة بالنسبة لكثافة التيار العالي ، كما أنها تتحمل عددًا كبيرًا من دورات الشحن والتفريغ ، وحتى أنها لا تتطلب صيانة على الإطلاق. لكن الشيء الأكثر أهمية هو أن المكثف سيضاعف عمر البطارية. بعد كل شيء ، عندما تكون هناك بطارية واحدة فقط (خاصة ليست جديدة) ، فإنها تعتبر غير صالحة للاستعمال إذا بدأت في التعامل بشكل سيء مع بدء المهام ، خاصة في الطقس البارد. ولكن عند إقرانها بمكثف متصل بالتوازي ، ستعمل البطارية القديمة طالما أنها قادرة على إعادة شحنها. وكما قلت ، تتحول البطارية إلى كبد طويل.

بالإضافة إلى ذلك ، عند اقترانه بمكثف زميل ، يمكن خفض سعة بطارية سيارتك أو دراجتك النارية إلى النصف. بالنسبة لسيارة ركاب بمحرك 1.5 - 1.8 مكعب ، 25 آه ستكون كافية ، و 60 آه فقط ستكون كافية لشاحنة. ولن يكون من الممكن بعد الآن استخدام بطارية من النوع المبتدئ ، وهي مصممة للتيارات العالية ، ولكن لاستخدام بطارية عادية ، والتي عادةً ما يكون لها عمر خدمة أطول بمقدار 2-3 مرات. نتيجة لذلك ، سيؤدي الجمع بين البطارية والمكثف إلى زيادة عمر هذا الزوج بشكل كبير. ولكي لا يغيروا بطارية سيارتهم لمدة 15 عامًا ، يحلم الكثير من الناس بهذا ، وبحلول هذا الوقت ، عادةً ما يغير الناس السيارة إلى سيارة أحدث. لذلك اتضح أن هذين الزوجين (البطارية والمكثف) يكفيان طوال عمر الماكينة. ولكن الأهم من ذلك ، أن السائقين سوف ينسون البداية الصعبة في البرد ، ويمكن نسيان مثل هذه الكلمات "أخي ، أعطني ضوءًا ، لا يمكنني البدء" (كيف أشعل سيجارة بأمان من سيارة شخص آخر).

ماذا يمكن أن يقال في النهاية. لا يزال يتم إنتاج المكثفات الفائقة من الجيل الجديد على دفعات صغيرة ، فهي تكلف ضعف تكلفة البطارية العادية ، وربما لن تجد مشتريها قريبًا ، على الأقل لدينا المحليون. القليل من المكثفات تذهب إلى المستهلكين الأجانب ، لكن هذا لا يدعم صناعتنا كثيرًا. ولكن إذا رغبت في ذلك ، ورعاة عاديين ، للإعلان وتطوير الإنتاج الضخم الأرخص ، يمكن إنشاء هذا العمل بطريقة عادية. كل شيء ممكن. بعد كل شيء ، لم يرغب أحد في شراء بطاريات الجيل الجديد باهظة الثمن أيضًا ، في بداية إنتاجها. والآن يشتريها مصنعو السيارات الكهربائية بالطن ، وهذه مجرد البداية. أعتقد أن هناك طلبًا كبيرًا على المكثفات الجديدة قريبًا ، وإذا لم تحل محل البطاريات تمامًا ، فستصبح مساعدين موثوقين. انتظر و شاهد. حظا طيبا للجميع!

استخدم الناس المكثفات في البداية لتخزين الكهرباء. بعد ذلك ، عندما تجاوزت الهندسة الكهربائية التجارب المعملية ، تم اختراع البطاريات ، والتي أصبحت الوسيلة الرئيسية لتخزين الطاقة الكهربائية. لكن في بداية القرن الحادي والعشرين ، يُقترح مرة أخرى استخدام المكثفات لتشغيل المعدات الكهربائية. ما مدى إمكانية هذا وهل ستصبح البطاريات أخيرًا شيئًا من الماضي؟

يرجع السبب في استبدال المكثفات بالبطاريات إلى الكميات الأكبر من الكهرباء التي يمكن تخزينها. سبب آخر هو أنه عند التفريغ ، يتغير الجهد عند خرج البطارية قليلاً جدًا ، لذلك يكون مثبت الجهد إما غير مطلوب أو يمكن أن يكون له تصميم بسيط للغاية.

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين المكثفات والبطاريات في أن المكثفات تخزن الشحنات الكهربائية مباشرة ، بينما تقوم البطاريات بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية وتخزينها ثم تحويل الطاقة الكيميائية مرة أخرى إلى طاقة كهربائية.

عندما يتم تحويل الطاقة ، يتم فقد جزء منها. لذلك ، حتى أفضل البطاريات لا تزيد كفاءتها عن 90٪ ، بينما تصل كفاءة المكثفات إلى 99٪. تعتمد شدة التفاعلات الكيميائية على درجة الحرارة ، لذلك تعمل البطاريات بشكل أسوأ بشكل ملحوظ في الطقس البارد مقارنة بدرجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن عكس التفاعلات الكيميائية في البطاريات تمامًا. ومن هنا كان العدد الصغير لدورات تفريغ الشحن (بترتيب بضعة آلاف ، غالبًا ما يكون عمر البطارية حوالي 1000 دورة شحن-تفريغ) ، بالإضافة إلى "تأثير الذاكرة". تذكر أن "تأثير الذاكرة" هو أنه يجب دائمًا تفريغ البطارية إلى كمية معينة من الطاقة المتراكمة ، عندها ستكون سعتها القصوى. إذا كان هناك المزيد من الطاقة المتبقية بعد التفريغ ، فإن سعة البطارية ستنخفض تدريجياً. "تأثير الذاكرة" هو سمة مميزة لجميع أنواع البطاريات المتاحة تجاريًا تقريبًا ، باستثناء البطاريات الحمضية (بما في ذلك أنواعها - هلام و AGM). على الرغم من أنه من المقبول عمومًا أنه ليس من سمات بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الليثيوم بوليمر ، إلا أنها في الواقع تمتلكها أيضًا ، إلا أنها تتجلى ببساطة بدرجة أقل من الأنواع الأخرى. بالنسبة للبطاريات الحمضية ، يتجلى تأثير كبريتات الألواح فيها ، مما يتسبب في تلف لا رجعة فيه لمصدر الطاقة. أحد الأسباب هو بقاء البطارية لفترة طويلة في حالة شحن أقل من 50٪.

فيما يتعلق بالطاقة البديلة ، فإن "تأثير الذاكرة" وكبريتات اللوح هي مشاكل خطيرة. الحقيقة هي أنه من الصعب التنبؤ بإمدادات الطاقة من مصادر مثل الألواح الشمسية وطواحين الهواء. نتيجة لذلك ، يحدث شحن البطاريات وتفريغها بشكل عشوائي ، في وضع غير مثالي.

من أجل إيقاع الحياة الحديث ، من غير المقبول تمامًا أن يتم شحن البطاريات لعدة ساعات. على سبيل المثال ، كيف تتخيل القيادة لمسافة طويلة في سيارة كهربائية إذا كانت البطارية الميتة تجعلك تنتظر عدة ساعات عند نقطة شحن؟ معدل شحن البطارية محدود بسبب سرعة العمليات الكيميائية التي تحدث فيها. يمكنك تقليل وقت الشحن إلى ساعة واحدة ، ولكن ليس لعدة دقائق. في الوقت نفسه ، يكون معدل شحن المكثف محدودًا فقط بالتيار الأقصى الذي يمكن أن يوفره الشاحن.

جعلت عيوب البطاريات المذكورة من المناسب استخدام المكثفات بدلاً من ذلك.

باستخدام طبقة كهربائية مزدوجة

لعقود عديدة ، كان للمكثفات الإلكتروليتية السعة الأكبر. في كل منهما ، كان أحد الألواح عبارة عن رقائق معدنية ، والآخر عبارة عن إلكتروليت ، وكان العزل بين الألواح عبارة عن أكسيد معدني يغطي الرقاقة. بالنسبة للمكثفات الإلكتروليتية ، يمكن أن تصل السعة إلى أجزاء من المئات من الفاراد ، وهو ما لا يكفي لاستبدال البطارية بالكامل.

تسمح لك السعة الكبيرة ، المقاسة بآلاف الفاراد ، بالحصول على المكثفات بناءً على ما يسمى بالطبقة الكهربائية المزدوجة. مبدأ عملهم على النحو التالي. تنشأ طبقة كهربائية مزدوجة في ظل ظروف معينة عند حدود المواد في المرحلتين الصلبة والسائلة. تتكون طبقتان من الأيونات بشحنات من العلامة المعاكسة ، ولكن بنفس الحجم. إذا قمنا بتبسيط الموقف بشكل كبير ، يتم تكوين مكثف ، "لوحات" منها طبقات الأيونات المشار إليها ، والمسافة بينها تساوي عدة ذرات.

تسمى المكثفات القائمة على هذا التأثير أحيانًا بالمؤيِّنات. في الواقع ، لا ينطبق هذا المصطلح فقط على المكثفات التي يتم فيها تخزين الشحنة الكهربائية ، ولكن أيضًا على الأجهزة الأخرى لتخزين الكهرباء - مع التحويل الجزئي للطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية مع الحفاظ على الشحنة الكهربائية (أيون هجين) ، وكذلك للبطاريات التي تعتمد على طبقة كهربائية مزدوجة (تسمى المكثفات الكاذبة). لذلك ، فإن مصطلح "المكثفات الفائقة" هو أكثر ملاءمة. في بعض الأحيان يتم استخدام نفس المصطلح "ultracapacitor" بدلاً من ذلك.

التنفيذ الفني

يتكون المكثف الفائق من لوحين من الكربون المنشط مملوءين بالكهرباء. يوجد غشاء بينهما ، والذي يسمح بمرور الإلكتروليت ، لكنه يمنع الحركة الفيزيائية لجزيئات الكربون المنشط بين الألواح.

وتجدر الإشارة إلى أن المكثفات الفائقة نفسها ليس لها قطبية. في هذا تختلف اختلافًا جوهريًا عن المكثفات الإلكتروليتية ، والتي تتميز ، كقاعدة عامة ، بالقطبية ، والتي يؤدي عدم الالتزام بها إلى فشل المكثف. ومع ذلك ، يتم تطبيق القطبية أيضًا على المكثفات الفائقة. هذا يرجع إلى حقيقة أن المكثفات الفائقة تترك خط تجميع المصنع مشحونًا بالفعل ، فإن الوسم يعني قطبية هذه الشحنة.

معلمات المكثفات الفائقة

السعة القصوى لمكثف فائق واحد ، التي تم الوصول إليها في وقت كتابة هذا التقرير ، هي 12000 فهرنهايت ، بالنسبة للمكثفات الفائقة ذات الإنتاج الضخم ، لا تتجاوز 3000 فهرنهايت ، الحد الأقصى المسموح به للجهد بين الألواح لا يتجاوز 10 فولت. ، كقاعدة عامة ، يقع هذا المؤشر في حدود 2 ، 3 - 2.7 فولت.يتطلب جهد التشغيل المنخفض استخدام محول جهد مع وظيفة استقرار. الحقيقة هي أنه أثناء التفريغ ، يختلف الجهد على لوحات المكثف على نطاق واسع. إن بناء محول جهد لتوصيل الحمولة والشاحن ليس مهمة تافهة. لنفترض أنك بحاجة إلى تشغيل حمولة بقوة 60 واط.

لتبسيط النظر في المشكلة ، فإننا نهمل الخسائر في محول الجهد والمثبت. إذا كنت تعمل ببطارية تقليدية بجهد 12 فولت ، فيجب أن تتحمل إلكترونيات التحكم تيار 5 أ. هذه الأجهزة الإلكترونية منتشرة وغير مكلفة. لكن يتطور وضع مختلف تمامًا عند استخدام مكثف فائق ، يبلغ جهده 2.5 فولت ، ثم يمكن أن يصل التيار المتدفق عبر المكونات الإلكترونية للمحول إلى 24 أمبير ، الأمر الذي يتطلب طرقًا جديدة للدوائر وقاعدة عنصر حديثة. إن التعقيد في بناء المحول والمثبت هو الذي يمكن أن يفسر حقيقة أن المكثفات الفائقة ، التي بدأ الإنتاج التسلسلي لها في السبعينيات من القرن العشرين ، أصبحت الآن مستخدمة على نطاق واسع فقط في مختلف المجالات.

يمكن توصيل المكثفات الفائقة بالبطاريات باستخدام اتصال متسلسل أو متوازي. في الحالة الأولى ، يزيد الحد الأقصى المسموح به من الجهد. في الحالة الثانية - السعة. تعد زيادة الحد الأقصى المسموح به من الجهد بهذه الطريقة إحدى طرق حل المشكلة ، ولكن سيتعين عليك دفع ثمنها مع تقليل السعة.

تعتمد أبعاد المكثفات الفائقة بشكل طبيعي على سعتها. المكثف الفائق النموذجي 3000 فهرنهايت عبارة عن أسطوانة يبلغ قطرها حوالي 5 سم وطولها 14 سم ، وعند 10 فهرنهايت يكون المكثف الفائق بحجم ظفر الإنسان.

المكثفات الفائقة الجيدة قادرة على تحمل مئات الآلاف من دورات تفريغ الشحن ، متجاوزة البطاريات في هذه المعلمة بحوالي 100 مرة. ولكن ، مثل المكثفات الإلكتروليتية ، تواجه المكثفات الفائقة مشكلة الشيخوخة بسبب التسرب التدريجي للإلكتروليت. حتى الآن ، لم يتم تجميع أي إحصائيات كاملة عن فشل المكثفات الفائقة لهذا السبب ، ولكن وفقًا للبيانات غير المباشرة ، يمكن تقدير عمر خدمة المكثفات الفائقة بنحو 15 عامًا.

طاقة مخزنة

كمية الطاقة المخزنة في المكثف ، معبراً عنها بالجول:

حيث C هي السعة ، معبراً عنها بالفاراد ، U هي الجهد على الألواح ، معبراً عنها بالفولت.

كمية الطاقة المخزنة في المكثف ، معبراً عنها بالكيلوواط ساعة ، هي:

وبالتالي ، فإن مكثفًا بسعة 3000 فهرنهايت بجهد كهربائي بين الألواح 2.5 فولت قادر على تخزين 0.0026 كيلو واط في الساعة فقط. كيف يمكن ربط ذلك ، على سبيل المثال ، ببطارية ليثيوم أيون؟ إذا أخذنا جهد الخرج الخاص به بشكل مستقل عن درجة التفريغ ويساوي 3.6 فولت ، فسيتم تخزين كمية الطاقة 0.0026 كيلووات ساعة في بطارية ليثيوم أيون بسعة 0.72 آه. للأسف ، نتيجة متواضعة للغاية.

تطبيق المكثفات الفائقة

أنظمة الإضاءة في حالات الطوارئ هي المكان الذي يعتبر فيه استخدام المكثفات الفائقة بدلاً من البطاريات مكسبًا كبيرًا. في الواقع ، يعتبر التفريغ غير المتكافئ مميزًا لهذا التطبيق. بالإضافة إلى ذلك ، من المستحسن شحن مصباح الطوارئ بسرعة ، وأن يكون مصدر الطاقة الاحتياطية المستخدم فيه أكثر موثوقية. يمكن دمج مصدر طاقة احتياطي فائق المكثف مباشرة في مصباح T8 LED. يتم إنتاج هذه المصابيح بالفعل من قبل عدد من الشركات الصينية.

كما لوحظ بالفعل ، يرتبط تطوير المكثفات الفائقة إلى حد كبير بالاهتمام بمصادر الطاقة البديلة. لكن التطبيق العملي لا يزال مقصورًا على مصابيح LED التي تستقبل الطاقة من الشمس.

مثل هذا الاتجاه مثل استخدام المكثفات الفائقة لبدء المعدات الكهربائية يتطور بنشاط.

المكثفات الفائقة قادرة على توفير كميات كبيرة من الطاقة في فترة زمنية قصيرة. من خلال تشغيل المعدات الكهربائية عند بدء التشغيل باستخدام مكثف فائق ، يمكنك تقليل أحمال الذروة على شبكة الطاقة وتقليل مساحة الارتفاع في نهاية المطاف لبدء التيارات ، وتحقيق توفير كبير في التكاليف.

من خلال دمج العديد من المكثفات الفائقة في بطارية ، يمكننا تحقيق سعة مماثلة للبطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية. لكن هذه البطارية ستزن عدة مرات أكثر من البطارية ، وهو أمر غير مقبول للسيارات. يمكن حل المشكلة باستخدام المكثفات الفائقة القائمة على الجرافين ، لكنها موجودة حتى الآن كنماذج أولية فقط. ومع ذلك ، فإن نسخة واعدة من "Yo-mobile" الشهيرة ، التي تعمل بالكهرباء فقط ، ستستخدم جيلًا جديدًا من المكثفات الفائقة ، التي يطورها العلماء الروس ، كمصدر للطاقة.

ستعطي المكثفات الفائقة ربحًا أيضًا عند استبدال البطاريات في السيارات التقليدية التي تعمل بالبنزين أو الديزل - فقد أصبح استخدامها في مثل هذه المركبات حقيقة واقعة بالفعل.

حتى الآن ، يمكن اعتبار أنجح المشاريع المنفذة لإدخال المكثفات الفائقة حافلات ترولي باص جديدة روسية الصنع ، دخلت شوارع موسكو مؤخرًا. عند انقطاع التيار الكهربائي عن شبكة الاتصال أو عندما "تطير" المجمعات الحالية ، يمكن للعربة أن تسير بسرعة منخفضة (حوالي 15 كم / ساعة) تصل إلى عدة مئات من الأمتار إلى مكان لا تتداخل فيه مع حركة المرور الطريق. مصدر الطاقة لمثل هذه المناورات بالنسبة له هو بطارية من المكثفات الفائقة.

بشكل عام ، بينما يمكن للمكثفات الفائقة أن تحل محل البطاريات فقط في "منافذ" معينة. لكن التقنيات تتطور بسرعة ، مما يسمح لنا أن نتوقع أن يتوسع نطاق المكثفات الفائقة بشكل كبير في المستقبل القريب.

أليكسي فاسيليف

تم تصميم المكثف الفائق للتركيب في السيارات بمختلف أنواعها ، فهو مصدر حديث لتراكم وإخراج الطاقة النبضية في الوقت المناسب. يمكن استخدام هذه الطاقة لبدء تشغيل المحرك ببطارية ميتة أو مجمدة ، ولتثبيت الجهد الكهربائي لشبكة السيارة على متن السيارة.

تسمح وحدات Titan بما يلي:

• لإعطاء الجهد اللازم لبدء تشغيل المحرك في درجات حرارة منخفضة (تصل إلى -40 درجة مئوية) ؛
• ابدأ تشغيل محرك الاحتراق الداخلي ببطارية مفرغة ، وهي غير قادرة على توفير تيار بدء التشغيل ، ولكن لديها طاقة كافية لشحن وحدة supercapacitor ؛
• بدء تشغيل المحرك على بطارية مجمدة أو فارغة مع سخان مسبق ؛
• لإعطاء المقدار المناسب من الطاقة النبضية للتشغيل المستقر للشبكة الداخلية تحت الأحمال الثقيلة ؛
• زيادة موثوقية التشغيل ، وتقليل مخاطر فشل عناصر الشبكة الكهربائية للمركبة بسبب الحمل الزائد ؛
• زيادة عمر البطارية بمقدار 2-4 مرات.

استقرار الجهد للشبكة الداخلية عند الأحمال العالية

الوحدة متصلة بالتوازي مع البطارية القياسية. يتطلب هذا النوع من الاتصال حالة جيدة للبطارية القياسية. يتم استخدامه لتثبيت جهد الشبكة الداخلية.

سيساعد المكثف الفائق في عمل الأجهزة التي تستهلك كمية كبيرة من الطاقة في فترة زمنية قصيرة. تحدث مثل هذه الأحمال ، على سبيل المثال ، أثناء تشغيل أنظمة الصوت الخطيرة أو الرافعة على مركبة على الطرق الوعرة. تتسبب أحمال الصدمات هذه في تلف البطارية. نظرًا لانخفاض المقاومة الداخلية والقدرة على تحمل الحمل النبضي ، يوفر المكثف الفائق وضع تشغيل مريح للبطارية ويطيل من عمرها التشغيلي.

سوف يساعد Titan في بدء تشغيل المحرك في البرد. تؤثر درجات الحرارة الأقل من -10 درجة مئوية سلبًا على سعة البطارية ، مما قد يؤدي إلى مشاكل عند بدء تشغيل محرك الاحتراق الداخلي. لا تتغير سعة المكثف الفائق عمليًا في الطقس البارد ، وهذا سيسمح له دائمًا بإعطاء أقصى قدر من الطاقة للدائرة لتمرير المبدئ.

نوع اتصال متوازي ، مع وحدة عازلة

	اسم		MSKA-54-16
	الفولطية المقدرة (V)		16
	القدرة المقدرة (F)		54
			<10,9
			270
	الأبعاد (مم)	طول	254
		عرض	40
		ارتفاع	80
	الوزن ، كجم)		1
	حجم المحرك (سم 3)		قبل 1600
	غير متوفر
	اسم		MSKA-108-16-K
	الفولطية المقدرة (V)		16
	القدرة المقدرة (F)		108
	المقاومة الداخلية (م)		<5,2
	الحد الأقصى لتيار التفريغ ، (A) (النبضة لا تزيد عن ثانية واحدة)		540
	الأبعاد (مم)	طول	254
		عرض	40
		ارتفاع	150
	الوزن ، كجم)		2
	حجم المحرك		حتى 2200
	غير متوفر
	اسم		MSKA-162-16
	الفولطية المقدرة (V)		16
	القدرة المقدرة (F)		162
	المقاومة الداخلية (م)		<3,4
	الحد الأقصى لتيار التفريغ ، (A) (النبضة لا تزيد عن ثانية واحدة)		800
	الأبعاد (مم)	طول	244
		عرض	100
		ارتفاع	100
	الوزن ، كجم)		2,4
	حجم المحرك		ما يصل إلى 3500
	غير متوفر

بدء تشغيل المحرك ببطارية فارغة

يتم توصيل الوحدة في سلسلة بالبطارية القياسية ومباشرة بأطراف بدء التشغيل. يوفر هذا الخيار جهدًا ثابتًا عند أطراف بدء التشغيل ، وهو أمر ضروري لبداية موثوقة لمحرك الاحتراق الداخلي. سيكون استخدام وحدات Titan للتوصيل التسلسلي مناسبًا للمركبات التي تحتوي على عدد كبير من المعدات الإضافية التي تستهلك الكهرباء. على سبيل المثال ، في سيارات الأجرة والشرطة وسيارات الإسعاف وما إلى ذلك ، حيث تعمل باستمرار معدات الإضاءة وجهاز اتصال لاسلكي ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS). يؤدي تشغيل الجهاز باستمرار إلى استنزاف شحن البطارية ، ولا يوفر المولد ، مع التشغيل المستمر لمحرك الاحتراق الداخلي في وضع الخمول ، شحنة كافية. يسمح استخدام المكثفات الفائقة ذات المقاومة الداخلية المنخفضة وكثافة الطاقة العالية ومخرج الطاقة الموثوق به في درجات حرارة منخفضة بالبدء عند شحن بطارية منخفض (من 9 فولت) وفي درجات حرارة منخفضة.

سيكون المكثف الفائق مفيدًا أيضًا لأصحاب السيارات الذين لديهم نظام مثبت يجهز محرك الاحتراق الداخلي لبدء التشغيل في الطقس البارد. يتم تشغيل جميع أجهزة التسخين المسبق بواسطة بطارية وتفريغها أثناء عملية التسخين ، لذلك هناك احتمال لبدء المشاكل حتى في المحرك الدافئ.

ميزات تشغيل وحدة Titan مع سخانات مسبقة:

• بدء تشغيل مضمون لمحرك احتراق داخلي دافئ ، عندما يتم تفريغ البطارية بواسطة السخان ؛
• تقليل الحمل على البطارية المجمدة.

قد لا يتم تمرير المبدئ فقط بسبب التآكل الشديد و / أو شحنة البطارية المنخفضة جدًا ، والتي لا يمكنها توفير التيار لمرحل الضام.

نوع الاتصال التسلسلي ، مع محول DC-DC

	اسم		MSKA-108-16-P
	الفولطية المقدرة (V)		16
	القدرة المقدرة (F)		108
	المقاومة الداخلية (م)		<5,7
	الحد الأقصى لتيار التفريغ ، (A) (النبضة لا تزيد عن ثانية واحدة)		540
	الأبعاد (مم)	طول	250
		عرض	100
		ارتفاع	100
	الوزن ، كجم)		2,4
	حجم المحرك		حتى 2200
	غير متوفر
	اسم		MSKA-162-16-P
	الفولطية المقدرة (V)		16
	القدرة المقدرة (F)		162
	المقاومة الداخلية (م)		<3,8
	الحد الأقصى لتيار التفريغ ، (A) (النبضة لا تزيد عن ثانية واحدة)		800
	الأبعاد (مم)	طول	320
		عرض	100
		ارتفاع	100
	الوزن ، كجم)		3
	حجم المحرك		ما يصل إلى 3500
	غير متوفر

بدء تشغيل المحرك بشكل واثق وتثبيت الجهد للشبكة الموجودة على متن الطائرة

في هذه الحالة ، تضمن وحدة الصعود DC-DC المتصلة مباشرة بالمبدئ تدوير وبدء تشغيل محرك الاحتراق الداخلي بشكل موثوق ، وتزود وحدة التخزين المؤقت المتصلة بالتوازي مع البطارية مرحل الملف اللولبي. يجمع هذا المكثف الفائق بين جميع مزايا الوحدات مع أنواع التوصيلات العازلة والتسلسلية. وبالتالي ، حتى مع البطاريات البالية ، يتم ضمان أعلى مستوى من الاستقرار لجميع معلمات الشبكة الكهربائية الموجودة على متن الطائرة وبدء تشغيل واثق للمحرك عند أدنى درجات الحرارة.

سيسمح تثبيت وحدة Titan بنوع اتصال هجين بما يلي:

• ابدأ بالبطاريات الفارغة غير القادرة على توفير تيار بدء التشغيل ، ولكن لديها طاقة كافية لشحنها
  المكثفات الفائقة.
• إطلاق في درجات حرارة منخفضة ؛
• زيادة عمر خدمة البطاريات بمقدار 2-4 مرات ؛
• عند العمل بالاقتران مع جهاز التسخين المسبق ، تأكد من بدء تشغيل محرك احتراق داخلي دافئ ، مع سخان مفرغ أو بطارية مجمدة ؛
• توفير أجهزة وأنظمة إضافية ذات طاقة نبضية ، وتحسين موثوقية الشبكة الكهربائية للمركبة ككل.

نوع الاتصال الهجين ، مع وحدة عازلة ومحول DC-DC

	اسم		MSKA-108 / 54-16-PB
	الفولطية المقدرة (V)		16
	السعة المقدرة للبطارية الرئيسية (F)		108
	القدرة المقدرة للبطارية المعززة (F)		54
	المقاومة الداخلية للبطارية الرئيسية (متر مكعب)		<5,7
	المقاومة الداخلية للبطارية المعززة (mΩ)		<11,4
	أقصى تيار تفريغ للبطارية الرئيسية ، (أ) (النبض لا يزيد عن ثانية واحدة)		540
	أقصى تيار تفريغ للبطارية المعززة ، (أ) (النبض لا يزيد عن 1 ثانية)		270
	الأبعاد (مم)	طول	325
		عرض	100
		ارتفاع	100
	الوزن ، كجم)		4
	غير متوفر

المزايا الرئيسية للمكثفات الفائقة

• كثافة طاقة عالية جهاز مثالي للعمل مع تغييرات الطاقة المفاجئة والكبيرة (عدة مرات).
• خصائص استقرار عالية. الشحن السريع / التفريغ (بالثواني).
• الكفاءة في استعادة الطاقة وبدء تشغيل المحرك.
• نطاق درجة حرارة تشغيل واسع من -45 إلى 70 درجة مئوية.
• القدرة على العمل في ظروف قاسية.
• عمر خدمة لا يقل عن 10 سنوات ، حتى 1 مليون دورة شحن-تفريغ.
• لا حاجة للاستبدال لفترة طويلة.
• تقليل تكاليف تشغيل الأنظمة.
• ضيق وصداقة بيئية.
• تكلفة منخفضة للملكية ، لا توجد تكاليف تشغيل أو التخلص.
• الوزن الصغير والأبعاد الصغيرة.
• مجموعة واسعة من التطبيقات والاستقلالية والتنقل.
• التعاون مع أجهزة التسخين المسبق.
• الأجهزة معتمدة وفقًا لـ GOST.

أمثلة على تركيب المكثفات الفائقة

المكثف الفائق (أو بعبارة أخرى الأيونيستور) هو جهاز لتخزين الطاقة الكهربائية ، ويحتل موقعًا متوسطًا بين البطارية والإلكتروليت. صحيح ، على عكسهم ، فإن هذه المنتجات أصغر بشكل لا يضاهى وتبدو مثل المكثفات الإلكتروليتية العادية (انظر الشكل أدناه).

وفقًا لخصائصه ، يختلف المكثف الفائق (SC) اختلافًا كبيرًا عن المنتجات الإلكتروليتية العادية ، لأنه أكثر متانة ولديه تسرب تيار أقل. الهدف الرئيسي من تطوير هذه المنتجات هو إنشاء جيل جديد من أجهزة تخزين الطاقة التي يمكن أن تحل محل البطاريات التقليدية.

الاختلافات المميزة

بالإضافة إلى المزايا المذكورة أعلاه ، يتميز المكثف الفائق بسعة محددة أعلى من البطاريات ، مما يسمح باستخدامه كمصدر للطاقة في السيارات الكهربائية ، على سبيل المثال. نظرًا لخصائص الطاقة الفريدة ، يتم تقليل وقت شحن هذه الخلية الإلكتروليتية بشكل ملحوظ (يمكن قول الشيء نفسه عن فترة تفريغها).

معلومات إضافية.تتيح هذه الخصائص إمكانية استخدام المكثفات عالية السعة في المصادر الحديثة للطاقة المتجددة (البطاريات الشمسية ومولدات الرياح وما إلى ذلك).

أثناء تشغيله ، من الممكن تحقيق طريقة تشغيل أكثر اقتصادا بسبب إمكانية تراكم الطاقة الزائدة المتلقاة من مصادر الطاقة.

خارجيًا ، يبدو المكثف الفائق كعنصر تقليدي له قطبين كهربائيين ، يستخدمان بدلاً من البطارية.

مثل البطارية ، تحتوي أيضًا على إلكتروليت في تجاويفها الداخلية ، والذي ، عند التفاعل مع الألواح ، يولد الكهرباء.

ميزات التصميم والمصنعين

الأقطاب الكهربائية لهذا المنتج مصنوعة من مادة مسامية خاصة مغطاة بطبقة رقيقة من الكربون المنشط. كمركب إلكتروليتي ، يتم استخدام مخاليط من أصل غير عضوي أو عضوي. اختلافاته الرئيسية عن المكثف المعتاد هي كما يلي:

• بين الألواح الموجودة في هذا المنتج ليست طبقة عازلة عادية ، بل ضعف سمكها ، مما يسمح لك بالحصول على فجوة رفيعة جدًا. يوفر هذا التصميم القدرة على تجميع الكهرباء بكميات كبيرة (تزداد السعة الكهربائية في هذه الحالة بشكل كبير) ؛
• علاوة على ذلك ، فإن المكثف الفائق ، على عكس العينات الأخرى ، يتراكم ويستهلك الشحنة بسرعة كبيرة ؛
• نظرًا لاستخدام طبقة عازلة مزدوجة ، تزداد المساحة الإجمالية للأقطاب الكهربائية ، بينما تظل الأبعاد كما هي. في الوقت نفسه ، تم تحسين الخصائص التقنية للمنتج بشكل ملحوظ.

يجب أن تتضمن ميزات هذه المكثفات ، التي ظهرت في عام 1962 ، أيضًا بنية الطاقة لأقطابها ، أحدهما له موصلية إلكترونية ، والآخر - ما يسمى بـ "الأيونية". نتيجة لذلك ، أثناء عملية الشحن ، يتم فصل الشحنات المعاكسة للعلامة ، مما يؤدي إلى تراكم الإمكانات الإيجابية والسلبية على الألواح (انظر الصورة).

في عام 1971 ، حصلت الشركة اليابانية المعروفة NEC على ترخيص لإنتاج هذه المنتجات الفريدة ، بعد أن نجحت في إتقان جميع مجالات الهندسة الكهربائية تقريبًا بحلول ذلك الوقت. كانت هي التي تمكنت من الترويج والموافقة أخيرًا على تقنية فريدة لإنتاج المكثفات الفائقة في سوق المنتجات الإلكترونية. منذ عام 2000 ، تم إتقانها بنجاح في جميع البلدان المتقدمة اقتصاديًا في العالم تقريبًا.

أنواع الإلكتروليت الفائق

تنقسم جميع العينات المعروفة من المنتجات الإلكتروليتية من هذه الفئة إلى الأنواع التالية:

• هياكل مكثف طبقة مزدوجة (DSC) ؛
• خلايا التحليل الكهربائي الهجينة
• المكثفات الكاذبة.

دعونا نفكر في كل منهم بمزيد من التفصيل.

تحتوي الهياكل المكونة من طبقتين في تكوينها على قطبين مساميين مع طلاء كربون موصل ، مفصولين بتركيبة خاصة (فاصل إلكتروليت). تتم عملية تراكم الطاقة في هذه التكوينات بسبب فصل الشحنات المعاكسة في الإشارة ، مصحوبة بتكوين إمكانات سعة كبيرة على الأقطاب الكهربائية.

تتأثر قيمة الشحنة الكهربائية لهذه الهياكل بشكل كبير بسعة طبقة التخزين المزدوجة ، والتي تؤدي وظيفة نوع من مكثف السطح. فيما بينهما ، يرتبط نظاما التخزين هذين في سلسلة متسلسلة عن طريق إلكتروليت يوحدهما.

معلومات إضافية.في هذه الحالة ، يلعب دور موصل بنوع أيوني من الموصلية.

يمكن تصنيف الإلكتروليتات الهجينة على أنها هياكل انتقالية تشغل موقعًا وسيطًا بين البطارية والمكثف. يرجع اختيار هذا الاسم لهذه المنتجات إلى حقيقة أن الأقطاب الكهربائية فيها مصنوعة من مواد من أنواع مختلفة ، ونتيجة لذلك تختلف طبيعة تراكم الشحنات إلى حد ما.

عادة ، يتم تنفيذ وظيفة الكاثود فيها بواسطة مادة تسمى "السعة الزائفة" ، وتحدث عملية تراكم الشحنة بسبب حدوث تفاعلات الأكسدة والاختزال. تسمح لك "بنية" الإلكتروليت في هذه المجموعة بزيادة السعة الإجمالية للمكثف ، وكذلك توسيع نطاق الفولتية المسموح بها.

غالبًا ما تستخدم هذه المنتجات مجموعات معقدة من مادة القطب ، وهي مزيج من نوع خاص من البوليمرات الموصلة (أو أكاسيد مختلطة). البحث جار على مواد واعدة أخرى (المركبات ، على وجه الخصوص) التي تم الحصول عليها عن طريق ترسب أكاسيد المعادن على قواعد الكربون أو البوليمرات.

المكثفات الزائفة هي أقرب بكثير في أدائها الفني إلى البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تحتوي على قطبين من الحالة الصلبة. يعتمد عملهم على مزيج من الآليتين التاليتين:

• عمليات الشحن والتفريغ (على غرار التفاعلات التي تحدث في البطاريات التقليدية) ؛
• التفاعلات ذات الطبيعة الكهروستاتيكية المتأصلة في الهياكل ذات الطبقة الكهربائية المزدوجة.

تعني البادئة "pseudo" أن قدرة هذه العناصر لا يتم تحديدها من خلال طبيعة العمليات الكهروستاتيكية بقدر ما يتم تحديدها بالاعتماد على التفاعلات المرتبطة بنقل الشحنات الإلكتروليتية.

مجالات الاستخدام

في أغلب الأحيان ، يتم استخدام منتجات هذه الفئة في الآليات والتركيبات وعينات المعدات التالية:

• في الأنظمة ذات مصادر الطاقة المتجددة التي تحتاج إلى تجميع الإمكانات المتراكمة (البطاريات الشمسية ، ومولدات الرياح ، وما إلى ذلك) ؛
• في السيارات الحديثة (السيارات الكهربائية ، على سبيل المثال) ، وكذلك في أجهزة بدء تشغيل محركات السيارات التي تعمل بالهيدروجين ؛
• نظرًا لكثافة الطاقة العالية والقدرة النوعية المتزايدة ، تُستخدم هذه المنتجات على نطاق واسع في المعدات الإلكترونية (كمصادر للنبضات قصيرة المدى وقوية) ؛
• هم أيضًا مطلوبون في أنظمة الطاقة غير المنقطعة ، والتي تستفيد استفادة كاملة من ميزتها الرئيسية - لتوفير نقل فوري للطاقة.

ملحوظة!يجب أن يشمل ذلك أيضًا تطوير الصناعات التي تنطوي على استخدام أنظمة الطاقة المستمرة على الوقود الاقتصادي.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام المكثفات الفائقة في الأجهزة التالية:

• في أنظمة التخميد لأحمال الطاقة ، وكذلك في أجهزة بدء تشغيل المحركات الكهربائية ؛
• في المجمعات التي يرتبط عملها بالأحمال الحرجة (معدات الموانئ والمستشفيات والأبراج المتنقلة والمراكز المصرفية ، إلخ) ؛
• في مصادر إمداد الطاقة الاحتياطية لأجهزة الكمبيوتر وأنظمة الحصول على البيانات (المعالجات الدقيقة والذاكرة) ، وكذلك في الهواتف المحمولة.

مزايا وعيوب منتجات المكثفات

من بين مزايا المنتجات في هذه الفئة ما يلي:

• تكلفة محددة منخفضة (لكل وحدة سعة) ؛
• كثافة سعوية عالية وكفاءة دورات تفريغ الشحن (تصل إلى 95٪ وما فوق) ؛
• الموثوقية والمتانة والصداقة البيئية ؛
• مؤشرات ممتازة لقوة محددة ؛
• نطاق واسع بدرجة كافية من درجات الحرارة التي يمكن تشغيلها فيها ؛
• أعلى معدل شحن وتفريغ ممكن للمنتجات في هذه الفئة ؛
• مقبولية الفقدان الكامل للقدرة (عمليا إلى الصفر).

ميزة أخرى مهمة لل SCs هي صغر حجمها ووزنها نسبيًا (فيما يتعلق بأنواع أخرى من المنتجات الإلكتروليتية).

من بين "السلبيات" الكامنة فيها ، أود أن أشير إلى أوجه القصور التالية:

• كثافة منخفضة نسبيًا للطاقات المتراكمة ؛
• الجهد المنخفض لكل وحدة سعة العنصر ؛
• ارتفاع مستوى التفريغ الذاتي غير المنضبط.

أضف إلى ذلك التكنولوجيا غير المطورة بالكامل لإنتاج المنتجات.

آفاق التطبيق

من المتوقع في المستقبل القريب الاستخدام الشامل للمكثفات الفائقة ، والتي سيتم إدخالها في معظم الصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة (بما في ذلك الصناعة الطبية وصناعة الطيران والمعدات العسكرية).

بالتزامن مع تقديمها ، تتزايد السعة المحددة لهذه المنتجات أكثر فأكثر ، مما سيجعل من الممكن في المستقبل استبدال البطاريات بالكامل بالمكثفات. كما تحدد عملية دمج المكثفات الفائقة في الهياكل المختلفة للإنتاج الإلكتروني الحديث ، بما في ذلك تصنيع عناصر التحكم والعناصر التنظيمية.

في الختام ، نلاحظ أن منتجات المكثفات من هذه الفئة تجعل من الممكن تنفيذ طرق صديقة للبيئة لتوفير الطاقة ، والتي تعد واعدة أكثر بكثير من جميع المنتجات المعروفة حتى الآن. في المستقبل القريب ، من المتوقع توسيع نطاق هذه التقنيات ، والتي يمكن أن تستحوذ على صناعة السيارات بأكملها ، فضلاً عن أجهزة الاتصالات والمعدات المحمولة.

فيديو