วิธีทำตัวเก็บประจุโมเลกุลที่บ้าน ตัวเก็บประจุแทนแบตเตอรี่: วิธีแก้ปัญหาทางเทคนิค

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถเรียกได้ว่าเป็นการพัฒนาที่สว่างที่สุดในรอบไม่กี่ปีที่ผ่านมา เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุทั่วไปที่มีขนาดเท่ากัน ความจุจะต่างกันสามขนาด ด้วยเหตุนี้ตัวเก็บประจุจึงได้รับคำนำหน้า - "super" พวกมันสามารถปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมาได้ในช่วงเวลาอันสั้น

มีจำหน่ายในขนาดและรูปร่างต่างๆ:ตั้งแต่ขนาดเล็กมากซึ่งติดตั้งบนพื้นผิวของอุปกรณ์ซึ่งมีขนาดไม่ใหญ่ไปกว่าเหรียญไปจนถึงทรงกระบอกและปริซึมที่มีขนาดใหญ่มาก วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อทำซ้ำแหล่งที่มาหลัก (แบตเตอรี่) ในกรณีที่แรงดันไฟฟ้าตก

ระบบอิเล็กทรอนิกส์และระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ที่ใช้พลังงานสูงทำให้มีความต้องการแหล่งจ่ายไฟสูง อุปกรณ์เกิดใหม่ (ตั้งแต่กล้องดิจิตอลไปจนถึงอุปกรณ์พกพาแบบอิเล็กทรอนิกส์และระบบส่งสัญญาณของรถยนต์ไฟฟ้า) จำเป็นต้องจัดเก็บและจ่ายพลังงานที่จำเป็น

นักพัฒนาสมัยใหม่แก้ปัญหานี้ได้สองวิธี:

การใช้แบตเตอรี่ที่สามารถส่งกระแสพัลส์กระแสสูงได้
โดยการเชื่อมต่อแบบขนานกับแบตเตอรี่เพื่อเป็นประกันสำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เช่น โซลูชัน "ไฮบริด"

ในกรณีหลังนี้ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลง นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าแบตเตอรี่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงและความหนาแน่นของพลังงานต่ำในขณะที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ตรงกันข้ามมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ แต่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเช่น พวกเขาให้กระแสคายประจุให้กับโหลด ด้วยการเชื่อมต่อซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบขนานกับแบตเตอรี่ คุณจะสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและช่วยยืดอายุการใช้งานอีกด้วย

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ใช้ที่ไหน?

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

ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ของยานยนต์ พวกมันถูกใช้เพื่อสตาร์ทเครื่องยนต์จึงช่วยลดภาระของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ยังช่วยให้คุณลดน้ำหนักได้ด้วยการลด แผนภาพการเดินสายไฟ- มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฮบริด โดยที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกควบคุมโดยเครื่องยนต์สันดาปภายใน และมอเตอร์ไฟฟ้า (หรือมอเตอร์) ขับเคลื่อนรถยนต์ เช่น ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ (แคชพลังงาน) ถูกใช้เป็นแหล่งกระแสในระหว่างการเร่งความเร็วและการเคลื่อนไหว และจะถูก "ชาร์จใหม่" ระหว่างการเบรก การใช้งานของพวกเขามีแนวโน้มดีไม่เพียง แต่ในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการขนส่งในเมืองด้วย รูปลักษณ์ใหม่ตัวเก็บประจุสามารถลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงได้ 50% และลดการปล่อยก๊าซที่เป็นอันตรายออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ 90%

ฉันยังไม่สามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้ทั้งหมด แต่เป็นเพียงเรื่องของเวลาเท่านั้น การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่นั้นไม่ได้วิเศษเลย หากนักนาโนเทคโนโลยีจากมหาวิทยาลัย QUT เดินตามเส้นทางที่ถูกต้อง สิ่งนี้จะกลายเป็นความจริงในอนาคตอันใกล้นี้ แผงตัวถังที่ประกอบด้วยซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รุ่นล่าสุดจะสามารถทำหน้าที่เป็นแบตเตอรี่ได้ 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 คุณจะต้องใช้ผงถ่านด้วย (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 อีกสาเหตุหนึ่งก็คือ เมื่อคายประจุแล้ว แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของแบตเตอรี่จะเปลี่ยนแปลงน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าหรืออาจมีค่ามาก การออกแบบที่เรียบง่าย.

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 แต่ในความเป็นจริงแล้วก็มีแบตเตอรี่ดังกล่าวด้วย แต่ก็แสดงให้เห็นในระดับที่น้อยกว่าในประเภทอื่น ๆ สำหรับแบตเตอรี่กรด จะแสดงผลของเพลตซัลเฟต ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อแหล่งพลังงานอย่างถาวร สาเหตุหนึ่งคือแบตเตอรี่ยังคงอยู่ในสถานะชาร์จน้อยกว่า 50% เป็นเวลานาน

ในส่วนของพลังงานทดแทน “ผลกระทบของหน่วยความจำ” และซัลเฟตของเพลตเป็นปัญหาร้ายแรง ความจริงก็คือการจัดหาพลังงานจากแหล่งต่างๆ เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์และกังหันลมเป็นสิ่งที่คาดเดาได้ยาก เป็นผลให้การชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่เกิดขึ้นอย่างวุ่นวายในโหมดที่ไม่เหมาะสม

สำหรับจังหวะชีวิตสมัยใหม่ เป็นที่ยอมรับไม่ได้อย่างยิ่งที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่เป็นเวลาหลายชั่วโมง ตัวอย่างเช่น คุณจินตนาการถึงการขับรถระยะทางไกลด้วยรถยนต์ไฟฟ้าหากแบตเตอรี่หมดทำให้คุณติดอยู่ที่จุดชาร์จเป็นเวลาหลายชั่วโมง ความเร็วในการชาร์จของแบตเตอรี่ถูกจำกัดด้วยความเร็วของกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในนั้น คุณสามารถลดเวลาในการชาร์จลงเหลือ 1 ชั่วโมง แต่ต้องไม่เกินสองสามนาที ในเวลาเดียวกัน อัตราการชาร์จของตัวเก็บประจุจะถูกจำกัดด้วยกระแสสูงสุดที่เครื่องชาร์จได้รับเท่านั้น

ข้อเสียที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ทำให้ต้องใช้ตัวเก็บประจุแทนอย่างเร่งด่วน

โดยใช้ไฟฟ้าสองชั้น

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามีความจุสูงสุด ในนั้นแผ่นหนึ่งเป็นโลหะฟอยล์ อีกแผ่นเป็นอิเล็กโทรไลต์ และฉนวนระหว่างแผ่นเป็นโลหะออกไซด์ซึ่งเคลือบฟอยล์ สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ความจุสามารถเข้าถึงหนึ่งในร้อยของฟารัด ซึ่งไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่จนหมด

เปรียบเทียบการออกแบบ ประเภทต่างๆตัวเก็บประจุ (ที่มา: Wikipedia)

ความจุขนาดใหญ่ซึ่งวัดเป็นพันฟารัดสามารถหาได้จากตัวเก็บประจุโดยอาศัยสิ่งที่เรียกว่าชั้นไฟฟ้าสองชั้น หลักการทำงานมีดังนี้ ชั้นไฟฟ้าสองชั้นจะปรากฏขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการที่ส่วนต่อประสานของสารในเฟสของแข็งและของเหลว ไอออนสองชั้นก่อตัวขึ้นโดยมีประจุที่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามแต่มีขนาดเท่ากัน หากเราทำให้สถานการณ์ง่ายขึ้นอย่างมากก็จะเกิดตัวเก็บประจุขึ้น "แผ่นเปลือกโลก" ซึ่งเป็นชั้นไอออนที่ระบุซึ่งมีระยะห่างระหว่างซึ่งเท่ากับหลายอะตอม

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีความจุหลากหลายที่ผลิตโดย Maxwell

ตัวเก็บประจุที่มีพื้นฐานจากผลกระทบนี้บางครั้งเรียกว่าไอออนไนเซอร์ ในความเป็นจริงคำนี้ไม่เพียงหมายถึงตัวเก็บประจุที่เก็บประจุไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุปกรณ์อื่น ๆ สำหรับกักเก็บไฟฟ้าด้วยการแปลงพลังงานไฟฟ้าบางส่วนเป็นพลังงานเคมีพร้อมกับการจัดเก็บ ค่าไฟฟ้า(ไอออนิสเตอร์แบบไฮบริด) เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ที่ใช้ไฟฟ้าสองชั้น (เรียกว่า pseudocapacitors) ดังนั้นคำว่า "ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์" จึงเหมาะสมกว่า บางครั้งใช้คำว่า "ultracapacitor" ที่เหมือนกันแทน

การใช้งานด้านเทคนิค

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ประกอบด้วยถ่านกัมมันต์สองแผ่นที่เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์ ระหว่างนั้นมีเมมเบรนที่ช่วยให้อิเล็กโทรไลต์ผ่านไปได้ แต่ป้องกันการเคลื่อนไหวทางกายภาพของอนุภาคถ่านกัมมันต์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก

ควรสังเกตว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นไม่มีขั้ว ด้วยวิธีนี้พวกมันแตกต่างโดยพื้นฐานจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าซึ่งตามกฎแล้วมีลักษณะเป็นขั้วการไม่ปฏิบัติตามซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตาม ขั้วยังถูกนำไปใช้กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วย นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ออกจากสายการประกอบของโรงงานที่มีประจุแล้วและเครื่องหมายระบุขั้วของประจุนี้

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

แผนผังแหล่งที่มา 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 = จุฬาฯ 2 /7200000

ดังนั้นตัวเก็บประจุที่มีความจุ 3,000 F ที่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่น 2.5 V จึงสามารถจัดเก็บได้เพียง 0.0026 kWh สิ่งนี้เปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างไร ถ้าคุณยอมรับมัน แรงดันขาออกเป็นอิสระจากระดับการคายประจุและเท่ากับ 3.6 V จากนั้นปริมาณพลังงาน 0.0026 kWh จะถูกเก็บไว้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความจุ 0.72 อา. อนิจจาผลลัพธ์ที่เจียมเนื้อเจียมตัวมาก

การประยุกต์ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ระบบไฟส่องสว่างฉุกเฉินเป็นที่ที่การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่สร้างความแตกต่างอย่างแท้จริง ในความเป็นจริงมันเป็นแอปพลิเคชั่นนี้ที่โดดเด่นด้วยการคายประจุที่ไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ ขอแนะนำให้ชาร์จหลอดไฟฉุกเฉินอย่างรวดเร็วและแหล่งพลังงานสำรองที่ใช้ในนั้นมีความน่าเชื่อถือมากกว่า สามารถรวมแหล่งจ่ายไฟสำรองที่ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เข้ากับหลอดไฟ LED T8 ได้โดยตรง โคมไฟดังกล่าวผลิตโดยบริษัทจีนหลายแห่งแล้ว

ไฟพื้น LED ขับเคลื่อน
จากแผงโซลาร์เซลล์ การเก็บพลังงาน
ซึ่งจะดำเนินการในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ตามที่ระบุไว้แล้ว การพัฒนาซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ส่วนใหญ่เกิดจากความสนใจในแหล่งพลังงานทดแทน แต่การใช้งานจริงยังจำกัดอยู่เพียงหลอดไฟ LED ที่ได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์เท่านั้น

การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อสตาร์ทอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังพัฒนาอย่างแข็งขัน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถส่งพลังงานปริมาณมากได้ในระยะเวลาอันสั้น ด้วยการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าเมื่อสตาร์ทเครื่องจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะทำให้โหลดพีคบนโครงข่ายไฟฟ้าลดลง และท้ายที่สุด อัตรากระแสไหลเข้าจะลดลง ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนได้มหาศาล

ด้วยการรวมซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายตัวเข้ากับแบตเตอรี่ เราจึงสามารถมีความจุที่เทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า แต่แบตเตอรี่นี้จะมีน้ำหนักมากกว่าแบตเตอรี่หลายเท่าซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้สำหรับรถยนต์ ปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน แต่ปัจจุบันมีอยู่ในรูปแบบต้นแบบเท่านั้น อย่างไรก็ตาม Yo-mobile รุ่นที่มีแนวโน้มดีซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าเท่านั้น จะใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รุ่นใหม่ซึ่งพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียเป็นแหล่งพลังงาน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังจะเป็นประโยชน์ต่อการเปลี่ยนแบตเตอรี่ในรถยนต์เบนซินหรือดีเซลทั่วไป ซึ่งการใช้งานในยานพาหนะดังกล่าวได้เกิดขึ้นจริงแล้ว

ในขณะเดียวกันโครงการที่ดำเนินการแล้วที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดสำหรับการแนะนำซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นถือได้ว่าเป็นรถรางที่ผลิตในรัสเซียรุ่นใหม่ซึ่งเพิ่งปรากฏบนถนนในมอสโก เมื่อการจ่ายแรงดันไฟฟ้าถูกขัดจังหวะ เครือข่ายการติดต่อหรือเมื่อนักสะสมในปัจจุบัน “บินออกไป” รถรางสามารถเดินทางด้วยความเร็วต่ำ (ประมาณ 15 กม./ชม.) เป็นระยะทางหลายร้อยเมตร ไปยังจุดที่ไม่กีดขวางการจราจรบนถนน แหล่งพลังงานสำหรับการซ้อมรบดังกล่าวคือแบตเตอรี่ของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

โดยทั่วไปแล้ว ในตอนนี้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถแทนที่แบตเตอรี่ได้เฉพาะใน "ช่อง" บางแห่งเท่านั้น แต่เทคโนโลยีกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เราสามารถคาดหวังได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ขอบเขตของการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะขยายออกไปอย่างมาก

สาเหตุที่ตัวเก็บประจุถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่ก็เนื่องมาจากปริมาณไฟฟ้าที่สามารถจัดเก็บได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ อีกเหตุผลหนึ่งก็คือในระหว่างการคายประจุ แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าหรืออาจมีการออกแบบที่เรียบง่ายมาก

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ก็คือ ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุไฟฟ้าโดยตรง ในขณะที่แบตเตอรี่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี แล้วเก็บไว้ แล้วแปลงพลังงานเคมีกลับเป็นพลังงานไฟฟ้า

ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ส่วนหนึ่งจะสูญหายไป ดังนั้นแม้แต่แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดก็ยังมีประสิทธิภาพไม่เกิน 90% ในขณะที่ตัวเก็บประจุก็สามารถเข้าถึงได้ 99% ความรุนแรงของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้น แบตเตอรี่จึงทำงานได้แย่ลงอย่างเห็นได้ชัดในสภาพอากาศหนาวเย็นมากกว่าที่อุณหภูมิห้อง 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 แต่ก็แสดงให้เห็นในระดับที่น้อยกว่าแบตเตอรี่ประเภทอื่น สำหรับแบตเตอรี่กรด จะแสดงผลของเพลตซัลเฟต ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อแหล่งพลังงานอย่างถาวร สาเหตุหนึ่งคือแบตเตอรี่ยังคงอยู่ในสถานะชาร์จน้อยกว่า 50% เป็นเวลานาน

ในส่วนของพลังงานทดแทน “ผลกระทบของหน่วยความจำ” และซัลเฟตของเพลตเป็นปัญหาร้ายแรง ความจริงก็คือการจัดหาพลังงานจากแหล่งต่างๆ เช่น แผงโซลาร์เซลล์และกังหันลม เป็นเรื่องยากที่จะคาดเดาได้ เป็นผลให้การชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่เกิดขึ้นอย่างวุ่นวายในโหมดที่ไม่เหมาะสม

สำหรับจังหวะชีวิตสมัยใหม่ เป็นที่ยอมรับไม่ได้อย่างยิ่งที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่เป็นเวลาหลายชั่วโมง ตัวอย่างเช่น คุณจินตนาการถึงการขับรถระยะทางไกลด้วยรถยนต์ไฟฟ้าหากแบตเตอรี่หมดทำให้คุณติดอยู่ที่จุดชาร์จเป็นเวลาหลายชั่วโมง ความเร็วในการชาร์จของแบตเตอรี่ถูกจำกัดด้วยความเร็วของกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในนั้น คุณสามารถลดเวลาในการชาร์จลงเหลือ 1 ชั่วโมง แต่ต้องไม่เกินสองสามนาที ในเวลาเดียวกัน อัตราการชาร์จของตัวเก็บประจุจะถูกจำกัดด้วยกระแสสูงสุดที่เครื่องชาร์จได้รับเท่านั้น

ข้อเสียที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ทำให้ต้องใช้ตัวเก็บประจุแทนอย่างเร่งด่วน

โดยใช้ไฟฟ้าสองชั้น

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามีความจุสูงสุด ในนั้นแผ่นหนึ่งเป็นโลหะฟอยล์ อีกแผ่นเป็นอิเล็กโทรไลต์ และฉนวนระหว่างแผ่นเป็นโลหะออกไซด์ซึ่งเคลือบฟอยล์ สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ความจุสามารถเข้าถึงหนึ่งในร้อยของฟารัด ซึ่งไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่จนหมด

ความจุขนาดใหญ่ซึ่งวัดเป็นพันฟารัดสามารถหาได้จากตัวเก็บประจุโดยอาศัยสิ่งที่เรียกว่าชั้นไฟฟ้าสองชั้น หลักการทำงานมีดังนี้ ชั้นไฟฟ้าสองชั้นจะปรากฏขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการที่ส่วนต่อประสานของสารในเฟสของแข็งและของเหลว ไอออนสองชั้นก่อตัวขึ้นโดยมีประจุที่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามแต่มีขนาดเท่ากัน หากเราทำให้สถานการณ์ง่ายขึ้นอย่างมากก็จะเกิดตัวเก็บประจุขึ้น "แผ่นเปลือกโลก" ซึ่งเป็นชั้นไอออนที่ระบุซึ่งมีระยะห่างระหว่างซึ่งเท่ากับหลายอะตอม

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

การใช้งานด้านเทคนิค

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ประกอบด้วยถ่านกัมมันต์สองแผ่นที่เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์ ระหว่างนั้นมีเมมเบรนที่ช่วยให้อิเล็กโทรไลต์ผ่านไปได้ แต่ป้องกันการเคลื่อนไหวทางกายภาพของอนุภาคถ่านกัมมันต์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก

ควรสังเกตว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นไม่มีขั้ว ด้วยวิธีนี้พวกมันแตกต่างโดยพื้นฐานจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าซึ่งตามกฎแล้วมีลักษณะเป็นขั้วการไม่ปฏิบัติตามซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตาม ขั้วยังถูกนำไปใช้กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วย นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ออกจากสายการประกอบของโรงงานที่มีประจุแล้วและเครื่องหมายระบุขั้วของประจุนี้

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 3,000 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 เราจึงสามารถมีความจุที่เทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า แต่แบตเตอรี่นี้จะมีน้ำหนักมากกว่าแบตเตอรี่หลายเท่าซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้สำหรับรถยนต์ ปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน แต่ปัจจุบันมีอยู่ในรูปแบบต้นแบบเท่านั้น อย่างไรก็ตาม Yo-mobile รุ่นที่มีแนวโน้มดีซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าเท่านั้น จะใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รุ่นใหม่ซึ่งพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียเป็นแหล่งพลังงาน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังจะเป็นประโยชน์ต่อการเปลี่ยนแบตเตอรี่ในรถยนต์เบนซินหรือดีเซลทั่วไป ซึ่งการใช้งานในยานพาหนะดังกล่าวได้เกิดขึ้นจริงแล้ว

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

โดยทั่วไปแล้ว ในตอนนี้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถแทนที่แบตเตอรี่ได้เฉพาะใน "ช่อง" บางแห่งเท่านั้น แต่เทคโนโลยีกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เราสามารถคาดหวังได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ขอบเขตของการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะขยายออกไปอย่างมาก

อเล็กเซย์ วาซิลีฟ

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

เครื่องสร้างประจุไอออนยังเก็บประจุไว้เป็นเวลานานมากโดยไม่คำนึงถึงสภาพอากาศ พวกมันทนทานต่อน้ำค้างแข็งและความร้อนและจะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์ แต่อย่างใด ในบางส่วน วงจรอิเล็กทรอนิกส์ในการจัดเก็บหน่วยความจำคุณต้องมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าของไอออนิสเตอร์ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ไอโอนิสเตอร์จะเชื่อมต่อแบบอนุกรม และเพื่อเพิ่มความจุของไอออนิสเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบขนาน การเชื่อมต่อประเภทสุดท้ายส่วนใหญ่จะใช้เพื่อเพิ่มเวลาการทำงานของไอออนิสเตอร์ตลอดจนเพื่อเพิ่มกระแสที่จ่ายให้กับโหลดเพื่อให้สมดุลกระแสใน การเชื่อมต่อแบบขนานตัวต้านทานเชื่อมต่อกับไอออนิสเตอร์แต่ละตัว

ไอออนไนเซอร์มักใช้กับแบตเตอรี่และไม่กลัวเลย ลัดวงจรและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยรอบอย่างกะทันหัน ทุกวันนี้ไอออนิสเตอร์ชนิดพิเศษกำลังได้รับการพัฒนาด้วยความจุขนาดใหญ่และกระแสสูงถึง 1 แอมแปร์ ดังที่ทราบกันดีว่ากระแสไอออนิสเตอร์ที่ใช้ในเทคโนโลยีการจัดเก็บหน่วยความจำในปัจจุบันนั้นไม่เกิน 100 มิลลิแอมป์ นี่เป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของตัวสร้างประจุไอออน แต่ไม่สามารถชดเชยได้ด้วยข้อดีที่ระบุไว้ข้างต้นของตัวสร้างประจุไอออน บนอินเทอร์เน็ต คุณจะพบการออกแบบมากมายโดยใช้สิ่งที่เรียกว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ - พวกมันยังเป็นไอโอนิสเตอร์ด้วย เครื่องสร้างประจุไอออนปรากฏขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ - 20 ปีที่แล้ว

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าความจุไฟฟ้าของโลกของเราคือ 700 ไมโครฟารัด เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุแบบธรรมดา... ตัวสร้างประจุไอออนส่วนใหญ่ทำจากถ่านซึ่งหลังจากการเปิดใช้งานและการดูแลเป็นพิเศษจะมีรูพรุนแผ่นโลหะสองแผ่นถูกกดให้แน่นกับช่อง ถ่านหิน การสร้างไอโอนิสเตอร์ที่บ้านนั้นง่ายมาก แต่การได้คาร์บอนที่มีรูพรุนนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย คุณต้องแปรรูปถ่านที่บ้านและนี่ค่อนข้างเป็นปัญหาดังนั้นจึงง่ายกว่าที่จะซื้อไอออนิสเตอร์และทำการทดลองที่น่าสนใจกับมัน ตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์ (กำลังและแรงดันไฟฟ้า) ของไอออนิสเตอร์ตัวเดียวก็เพียงพอแล้วสำหรับ LED ที่จะส่องสว่างอย่างสว่างและเป็นเวลานานหรือทำงานได้

ข้อกำหนดในการลดขนาดของส่วนประกอบวิทยุในขณะที่เพิ่มขึ้น ข้อกำหนดทางเทคนิคทำให้เกิดการมีอุปกรณ์ใช้งานอยู่มากมายทุกหนทุกแห่งในปัจจุบัน ตัวเก็บประจุที่ได้รับผลกระทบอย่างเต็มที่นี้ ไอออนไนเซอร์หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่เรียกว่าเป็นองค์ประกอบที่มีความจุสูง (ช่วงของตัวบ่งชี้นี้ค่อนข้างกว้างตั้งแต่ 0.01 ถึง 30 ฟารัด) โดยมีแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จ 3 ถึง 30 โวลต์ นอกจากนี้ขนาดยังเล็กมาก และเนื่องจากหัวข้อการสนทนาของเราคือไอโอนิสเตอร์ที่ต้องทำด้วยตัวเอง สิ่งแรกที่จำเป็นคือต้องเข้าใจองค์ประกอบนั้นเอง นั่นคือมันคืออะไร

คุณสมบัติการออกแบบของไอออนิสเตอร์

โดยพื้นฐานแล้วนี่คือตัวเก็บประจุธรรมดาที่มีความจุขนาดใหญ่ แต่ตัวสร้างประจุไอออนมีความต้านทานสูง เนื่องจากองค์ประกอบนั้นใช้อิเล็กโทรไลต์ นี่เป็นอันแรก ประการที่สองคือแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จต่ำ ประเด็นก็คือในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นี้แผ่นตั้งอยู่ใกล้กันมาก นี่เป็นสาเหตุที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างแม่นยำ แต่ด้วยเหตุนี้เองที่ทำให้ความจุของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น

เครื่องสร้างประจุไอออนจากโรงงานทำจากวัสดุที่แตกต่างกัน ฝาครอบมักทำจากกระดาษฟอยล์ซึ่งคั่นด้วยสารแห้งซึ่งมีฤทธิ์ในการแยก ตัวอย่างเช่น ถ่านกัมมันต์ (สำหรับแผ่นขนาดใหญ่) โลหะออกไซด์ สารโพลีเมอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง

การประกอบไอออไนเซอร์ด้วยมือของคุณเอง

การประกอบเครื่องสร้างประจุไอออนด้วยมือของคุณเองไม่ใช่สิ่งที่ง่ายที่สุด แต่คุณยังสามารถทำที่บ้านได้ มีหลายแบบที่มี วัสดุที่แตกต่างกัน- เราเสนอหนึ่งในนั้น ในการทำเช่นนี้คุณจะต้อง:

โถกาแฟโลหะ (50 กรัม)
ถ่านกัมมันต์ซึ่งขายในร้านขายยาสามารถถูกแทนที่ด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอนบด
แผ่นทองแดงสองวงกลม
สำลี

ก่อนอื่นคุณต้องเตรียมอิเล็กโทรไลต์ ในการทำเช่นนี้คุณต้องบดถ่านกัมมันต์ให้เป็นผงก่อน จากนั้นทำน้ำเกลือโดยเติมเกลือ 25 กรัมลงในน้ำ 100 กรัมแล้วผสมให้เข้ากัน ถัดไปจะค่อยๆ เติมผงถ่านกัมมันต์ลงในสารละลาย ปริมาณของมันถูกกำหนดโดยความสอดคล้องของอิเล็กโทรไลต์ซึ่งควรมีความหนาเท่ากับสีโป๊ว

หลังจากนั้นอิเล็กโทรไลต์ที่เสร็จแล้วจะถูกนำไปใช้กับวงกลมทองแดง (ด้านหนึ่ง) โปรดทราบว่ายิ่งชั้นอิเล็กโทรไลต์หนาขึ้น ความจุของไอออนิสเตอร์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และอีกอย่างหนึ่ง ความหนาของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้บนวงกลมทั้งสองนั้นควรจะเท่ากัน ดังนั้น อิเล็กโทรดจึงพร้อมแล้ว ตอนนี้ต้องแยกออกจากกันด้วยวัสดุที่สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้ แต่จะไม่ยอมให้ผงคาร์บอนผ่านได้ ในการทำเช่นนี้ให้ใช้สำลีธรรมดาแม้ว่าจะมีตัวเลือกมากมายก็ตาม ความหนาของชั้นสำลีจะเป็นตัวกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางของโถกาแฟที่เป็นโลหะ นั่นคือโครงสร้างอิเล็กโทรดทั้งหมดนี้ควรพอดีกับโถกาแฟอย่างสบาย ดังนั้น โดยหลักการแล้ว คุณจะต้องเลือกขนาดของอิเล็กโทรดเอง (วงกลมทองแดง)

สิ่งที่เหลืออยู่คือการเชื่อมต่ออิเล็กโทรดเข้ากับเทอร์มินัล เพียงเท่านี้ ionistor ที่ทำด้วยมือของคุณเองและแม้แต่ที่บ้านก็พร้อมแล้ว การออกแบบนี้ไม่มีความจุขนาดใหญ่มาก - ไม่สูงกว่า 0.3 ฟารัดและแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จเพียง 1 โวลต์ แต่นี่คือไอออนิสเตอร์จริง

บทสรุปในหัวข้อ

มีอะไรอีกที่สามารถพูดเกี่ยวกับองค์ประกอบนี้ได้เพิ่มเติม? ตัวอย่างเช่น หากเราเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ ไอโอนิสเตอร์จะสามารถกักเก็บกระแสไฟฟ้าได้ถึง 10% ของพลังงานแบตเตอรี่ได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าตกยังเกิดขึ้นเป็นเส้นตรงและไม่ฉับพลัน แต่ระดับประจุขององค์ประกอบนั้นขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ทางเทคโนโลยี