Süperkapasitörlere Giriş

Toplumun ve ekonominin gelişmesiyle birlikte insanlar yeşil enerjiye ve ekolojik çevreye giderek daha fazla önem veriyor. Yeni bir enerji depolama cihazı türü olarak süperkapasitörler, yeri doldurulamaz avantajlarından dolayı giderek daha fazla ilgi görmektedir. Mühendisler, yüksek güçlü, yüksek verimli çözümler gerektiren bazı tasarımlarda geleneksel pilleri süper kapasitörlerle değiştirmeye başladı. Pil teknolojisindeki kusurlar Li-ion ve NiMH gibi yeni piller güvenilir bir enerji depolama çözümü sağlayabilir ve birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Hepimizin bildiği gibi kimyasal piller, elektrik yüklerini elektrokimyasal reaksiyonlar yoluyla depolar ve bunun sonucunda Faraday yük aktarımı gerçekleşir. Kısa bir hizmet ömrüne sahiptirler ve sıcaklıktan büyük ölçüde etkilenirler. Bu aynı zamanda kurşun-asit akü (batarya) tasarımcılarının da karşılaştığı zorluktur.

Aynı zamanda yüksek akım bu pillerin ömrünü doğrudan etkileyebilmektedir, dolayısıyla uzun ömür ve yüksek güvenilirlik gerektiren bazı uygulamalar için bu kimyasal reaksiyona dayalı piller çeşitli eksiklikler göstermektedir. Süper kapasitörlerin özellikleri ve avantajları Süper kapasitörlerin prensibi yeni bir teknoloji değildir. Yaygın süper kapasitörlerin çoğu elektrikli çift katmanlı bir yapıya sahiptir. Elektrolitik kapasitörlerle karşılaştırıldığında bu süper kapasitör çok yüksek bir enerji yoğunluğuna ve güç yoğunluğuna sahiptir. Geleneksel kapasitörler ve ikincil pillerle karşılaştırıldığında süper kapasitörler, sıradan kapasitörlerden daha yüksek şarj depolama kapasitesine sahiptir ve hızlı şarj ve deşarj hızı, yüksek verimlilik, çevreyi kirletmeme, uzun çevrim ömrü, geniş çalışma sıcaklığı aralığı ve yüksek güvenlik özelliklerine sahiptir. . Hızlı şarj ve deşarj olabilmelerinin yanı sıra süper kapasitörlerin bir diğer önemli özelliği de düşük empedanslarıdır. Yani bir süperkapasitör tamamen boşaldığında küçük bir direnç karakteristiği sergileyecek ve eğer sınır yoksa olası kaynak akımını çekecektir.

Bu nedenle sabit akımlı veya sabit voltajlı şarj cihazı kullanılmalıdır. 10 yıl önce, süper kapasitörler her yıl yalnızca çok küçük miktarlarda satılabiliyordu ve fiyatı da çok pahalıydı; yaklaşık 1 ila 2 ABD doları/farad. Artık süper kapasitörler standart ürün olarak büyük miktarlarda pazara sunuldu ve fiyatı ortalama 0,01 gibi büyük oranda düştü. ~0,02$/farad. Son birkaç yılda süperkapasitörler tüketici elektroniği, sanayi ve ulaşım gibi birçok uygulama alanına girmeye başladı. Süperkapasitörlerin yapısı Dünya üzerinde çok çeşitli süperkapasitör ürünleri sağlayabilen çok sayıda süperkapasitör üreticisi bulunmasına rağmen, ürünlerin çoğu benzer elektrikli çift katmanlı yapıya dayanmaktadır. Süper kapasitörlerin yapısı elektrolitik kapasitörlerinkine benzer. Çok benzer, temel farkları elektrot malzemesidir. İlk süper kapasitörlerin elektrotları karbondan yapılmıştı. Karbon elektrot malzemesi geniş bir yüzey alanına sahiptir ve kapasitans, yüzey alanı ile elektrotlar arasındaki mesafeye bağlıdır. Çok büyük olabilir, çoğu süper kapasitör farad seviyesinde olabilir ve genel kapasitans aralığı 1 ~ 5000F'dir. Süper Kapasitörlerin Kullanımı Süper kapasitörlerin geniş bir kullanım alanı vardır. Süper kapasitörler, yakıt hücreleri gibi yüksek enerji yoğunluğuna sahip maddelerle birleştiğinde, yüksek güç taleplerini karşılamak için hızlı enerji salınımı sağlayarak yakıt hücrelerinin yalnızca enerji kaynağı olarak kullanılmasına olanak sağlar. Şu anda süper kapasitörlerin enerji yoğunluğu 20kW/kg'a kadar çıkabiliyor ve bu da pazarın geleneksel kapasitörler ve piller arasındaki bu bölümünü ele geçirmeye başladı.

Yüksek güvenilirlik gerektiren ancak düşük enerji gereksinimleri gerektiren uygulamalarda, pilleri değiştirmek için süper kapasitörler kullanılabilir veya yüksek enerji gereksinimi olan uygulamalar için süper kapasitörler ve piller birleştirilebilir, böylece daha küçük boyutlar kullanılabilir. , daha ekonomik piller. Süper kapasitörler çok düşük ESR değerlerine sahiptir, bu da onların büyük akımları kaynaklamalarına ve büyük akımları hızlı bir şekilde azaltmalarına olanak tanır. Süper kapasitörlerin çalışma prensibi, kimyasal şarj prensibiyle karşılaştırıldığında bu ürünün performansını daha istikrarlı hale getirir ve bu nedenle süper kapasitörlerin servis ömrü daha uzun olur. Süper kapasitörler, elektrikli aletler ve oyuncaklar gibi hızlı şarj gerektiren cihazlar için ideal bir güç kaynağıdır. Bazı ürünler hibrit akü/süper kapasitör sistemi için uygundur. Süper kapasitörlerin kullanılması, daha fazla enerji elde etmek amacıyla büyük pillerin kullanılmasını önleyebilir. Bir örnek, süper kapasitörlerin kullanımının dijital kameraların (pahalı Li-ion piller yerine) ucuz alkalin piller kullanmasına olanak tanıdığı tüketici elektroniğindeki dijital kameralardır. Süper kapasitör hücrelerinin (hücrelerin) nominal voltaj aralığı 2,5 ila 2,7 V'tur, pek çok uygulama birden fazla süper kapasitör hücresinin kullanılmasını gerektirir. Bu hücreleri seri olarak bağlarken tasarım mühendisinin hücreler arasındaki dengeyi ve şarjı dikkate alması gerekir. Herhangi bir süper kapasitör, enerji verildiğinde dahili paralel direnç yoluyla deşarj olur. Süperkapasitör ünitesinin kendi kendine deşarjını etkileyecek olan bu deşarj akımına kaçak akım denir.

Bazı ikincil pil teknolojilerine benzer şekilde, seri olarak kullanıldığında süper kapasitörlerin voltajlarının dengelenmesi gerekir çünkü kaçak akım vardır ve dahili şönt direncinin boyutu, seri bağlı süper kapasitör hücreleri arasındaki voltaj dağılımını belirleyecektir. Süper kapasitördeki voltaj sabitlendiğinde, her ünitedeki voltaj kapasitans değeriyle değil kaçak akımla değişecektir. Kaçak akım ne kadar büyük olursa, anma gerilimi o kadar küçük olur, aksine kaçak akım ne kadar küçük olursa, anma gerilimi o kadar yüksek olur. Bunun nedeni, kaçak akımın süper kapasitör hücresinin deşarj olmasına, voltajın düşmesine neden olması ve bunun da seri bağlı diğer hücrelerin voltajlarını etkilemesidir (bu hücrelerin seri olarak aynı sabit voltajla beslendiğini varsayarsak). Kaçak akımdaki değişimi telafi etmek için yaygın bir yöntem, tüm ünitenin kaçak akımını kontrol etmek amacıyla her ünitenin yanına paralel bir direnç bağlamaktır. Bu yöntem, üniteler arasındaki karşılık gelen paralel direncin değişimini etkili bir şekilde azaltır.

Önerilen diğer bir yöntem ise, her bir hücrenin aktif olarak izlendiği ve voltaj değişikliği olduğunda birbirine karşı dengelendiği aktif hücre dengelemedir. Bu yaklaşım, ünite üzerindeki ekstra yükü azaltarak işi daha verimli hale getirir. Gerilim ünitenin nominal gerilimini aşarsa ünitenin ömrü kısalır. Güvenilirliği yüksek süper kapasitörler için voltajın gereken aralıkta nasıl korunacağı önemli bir noktadır ve şarj voltajının, her bir hücrenin nominal voltajını aşmamasını sağlayacak şekilde kontrol edilmesi gerekir.