خازن یا Capacitor به یک قطعه الکتریکی گفته می شود که قادر است در خود انرژی الکتریکی ذخیره کند. خازن ها از صفحاتی تشکیل شده اند که بین آنها را الکترولیت ها پر کرده اند و پس از اعمال ولتاژ به دو سر خازن ، یک میدان الکتریکی بین صفحات خازن ایجاد می شود و پس از قطع ولتاژ منبع ، این میدان از بین نخواهد رفت و این میدان باعث بوجود آمدنن اختلاف ولتاژ دو سر خازن می شود. بسته به نوع ساختار خازن ها را در ظرفیت های گوناگون میسازند و بسته به ظرفیت خازن ، میزان ذخیره سازی بار در خازن به ازای اختلاف ولتاژژ ثابت ، متفاوت خواهد بود. یعنی هرچه ظرفیت خازن بیشتر باشد، انرژی بیشتری در آن ذخیره می شود.
خازن‌ها را به سه دسته تقسیم می‌کنیم:
۱خازن الکتروستاتیک:
متداول‌ترین خازن، خازن الکتروستاتیک با جدا کنندهٔ خشک است. این نوع خازن‌ها دارای ظرفیت بسیار کمی هستند که برای پالایش سیگنال‌ها و تنظیم فرکانس رادیو به کار می‌روند. دامنهٔ تغییر ظرفیت این نوع خازن از چند پیکوفاراد تا چند میکروفاراد است.
۲خازن الکترولیتی:
نوع دیگر خازن از نوع الکترولیتی است که برای پالایش انرژی و حافظهٔ موقت استفاده می‌شوند. دامنهٔ ظرفیت این خازن‌ها حدود میکروفاراد است. این خازن‌ها توانایی ذخیرهٔ چند هزار برابری خازن‌های الکتروستاتیکی را دارند از دی الکتریک مایع استفاده می‌کنند.
۳ابر خازن:
ابر خازن ها یک خازن دولایه هستند که نسبت به خازن های معمولی ظرفیت بسیار بالاتری دارند اما ولتاژ قابل تحمل آنها که به ولتاژ شکست یا break down voltage معروف است پایین است. ظرفیت ابر خازن ها معمولا بیش از ۱۰ میلی فاراد و در رنج فاراد است که باعث بوجود آمدن کاربردهای جدیدی برای آنها می شود ولی قیمت آنها در مقایسه با خازن های معمولی بالاتر است.
سوپر خازن ها از دو صفحه فلزی که با مواد مختلف (با نام Activated Carbon) پوشانده شده اند تشکیل شده که این مواد متخلخل باعث پدیدآوردن مساحت بیشتری برای ذخیره انرژی می شود. این دو صفحه در یک ژل یا مایع الکترولیت که دارای یون های مثبت و منفی می باشد غوطه ور هستند که در صورت اعمال یک ولتاژ به دو الکترود خازن این یون ها از هم جدا می شوند. به ابر خازن ها خازن الکتریکی دولایه (ELDC:Electric Double Layer Capacitor) هم گفته می شود.
مزایای سوپر خازن ها:
- سوپرخازن ها قابلیت شارژ و دشارژ برای صدها هزار بار با کمترین افت در عملکرد و کیفیت را دارند.
- طول عمر آنها بالا و بین ۱۰ تا ۲۰ سال است.
- بعد از ۱۰ سال کارکرد، ظرفیت آنها از ۱۰۰ به ۸۰ درصد می رسد.
- بدلیل مقاومت سری یا ESR پایین تر، زمان شارژ و دشارژ آنها پایین تر است.
- توان و جریان بالاتری نسبت به خازن های معمولی دارند.
- تحمل حرارت بالا یا دمای پایین تا منفی چهل درجه سانتی گراد را دارا هستند.
معایب ابر خازن‌ها:
- ولتاژ قابل تحمل آنها پایین و در حال حاضر در رنج ۲-۳ ولت است.
- در صورت نیاز به ولتاژهای بالاتر باید آنها را سری کرد که منجر به کاهش ظرفیت خازن می شود.
سوپر خازن ها چه کاربردی دارند؟
ابرخازن ها در دستگاه های پزشکی و یا نظامی، لیزر و مایکروویو، منابع تغذیه، سیستم های امنیتی و اطلاعاتی به عنوان ذخیره پشتیبان، مدارهای راه انداز ال ای دی های توان بالا، توربین های بادی و شبکه های برق رسانی جهت پایداری شبکه، UPS کامپیوترهای حساس، درهای برقی در هنگام قطع شدن برق، سیستم های مولد برق از ترمز در ماشین های برقی جدید، تثبیت کننده ولتاژ و مدارهایی که نیاز به خازن هایی با زمان شارژ و دشارژ سریع دارند مورد استفاده قرار می گیرند.
از چه موادی در ساخت سوپر خازن ها استفاده می شود؟
در ساخت ابرخازن ها از مواد مختلف کربنی، اکسید های فلز و پلیمرهای رسانا استفاده می شود. پیشرفت های حاصل شده در زمینه کار با مواد پایه کربنی مثل گرافین باعث افزایش ظرفیت این نوع خازن ها شده است و اکنون می توان ابر خازن ها را به عنوان رقیب جدید باطری ها در نظر گرفت.
گرافین یک لایه نازک کربنی با شکل لانه زنبوری (Honeycomb) است که استحکام بسیار بالایی دارد و استفاده از آن در ساخت ابر خازن ها باعث افزایش ظرفیت آنها بدلیل وجود مساحت داخلی بیشتر در گرافین شده است.
در حال حاضر در مراکز تحقیقاتی بر روی اقتصادی شدن هزینه تولید ابرخازن ها، کاهش مخاطرات آنها برای محیط زیست و افزایش بهره وری آنها کار می شود. برخی از تکنولوژی های تولید سوپر خازن ها وارد بازار شده اند و برخی دیگر همچنان در مراحل بررسی و تحقیقاتی هستند.
چگونه از ابر خازن ها در ماشین های الکتریکی استفاده می شود؟
ترمزهای مولد برق در ماشین های برقی جدید یا Regenerative Brakes در هنگام کاهش سرعت ماشین بجای تبدیل انرژی جنبشی به گرما و اتلاف آن در محیط، آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند و برای ذخیره و استفاده مجدد آن در موتور برقی خودرو آن را در یک بانک ابر خازنی متشکل از چند سوپر خازن گرافینی ذخیره می کنند. شرکت های مختلفی مانند تسلا و ژنرال موتور از این سیستم برای بهره وری بیشتر خودروهای برقی و هیبرید خود استفاده می کنند. در اروپا هم شرکت Skeleton Tech در حال تبدیل ماشین های دیزلی به ماشین های هیبرید در ناوگان حمل و نقل بریتانیا است و در این خودرو های از سیستم Regenerative Brakes استفاده می شود.
آیا مدل های کوچکی از ابرخازن ها وجود دارد؟
شرکت ZAP&Go در حال ساخت یک پاور بانک برای شارژ گوشی های موبایل بوسیله سوپرخازن های گرافینی است که می توان در عرض ۵ دقیقه پاور بانک را شارژ کرد و سپس در سفر و محیط خارج از خانه برای شارژ تلفن های همراه از آن استفاده کرد.
شرکت های دیگری هم در حال ساخت ابر خازن ها در پکیج هایی مانند باطری سکه ای، سلول های کوچک استوانه ای و باطری های ۴۸ ولت در پکیج باطری ماشین هستند.
چگونه می توان از ولتاژ ۲٫۷ ولت سوپر خازن ها استفاده کرد؟
می توان با اتصال ابر خازن ها مدارات سوئیچینگ افزایش ولتاژ Boost Converter ولتاژ آن ها را افزایش داد. آی سی LTC2250 از شرکت Linear technologies می تواند ابرخازن های سری شده را بصورت بالانس شارژ کند و همچنین ولتاژ آنها را بصورت سوئیچینگ افزاریش دهد و Boost کند.
