اليوم، تطورت تكنولوجيا البطاريات بشكل كبير وأصبحت أكثر تقدماً مقارنة بالعقد الماضي. ولكن لا تزال البطاريات القابلة لإعادة الشحن من المواد الاستهلاكية، لأن عمرها الافتراضي قصير.

إن فكرة استخدام مكثف لتخزين الطاقة ليست جديدة وقد تم إجراء التجارب الأولى باستخدام المكثفات الإلكتروليتية. يمكن أن تكون سعة المكثفات الإلكتروليتية كبيرة - مئات الآلاف من الميكروفاراد، لكنها لا تزال غير كافية لتشغيل حمولة صغيرة لفترة طويلة، علاوة على ذلك، هناك تيار تسرب كبير بسبب ميزات التصميم.

التقنيات الحديثة لا تقف مكتوفة الأيدي، وتم اختراع الأيونستور، وهو مكثف بسعة عالية للغاية - من وحدات الفاراد إلى عشرات الآلاف من الفاراد. تُستخدم الأيونات التي تبلغ سعتها وحدات فاراد في الأجهزة الإلكترونية المحمولة لتوفير إمداد طاقة غير منقطع للدوائر ذات التيار المنخفض، مثل المتحكم الدقيق. وتستخدم الأيونات التي تبلغ سعتها عشرات الآلاف من الفاراد مع البطاريات لتشغيل المحركات الكهربائية المختلفة. في هذا المزيج، يتيح المؤين تقليل الحمل على البطاريات، مما يزيد بشكل كبير من عمر البطارية وفي الوقت نفسه يزيد من تيار البدء الذي يستطيع نظام طاقة المحرك الهجين توفيره.

كانت هناك حاجة لتشغيل مستشعر درجة الحرارة بطريقة لا تؤدي إلى تغيير البطارية الموجودة فيه. يتم تشغيل المستشعر بواسطة بطارية AA ويتم تشغيله لإرسال البيانات إلى محطة الطقس مرة كل 40 ثانية. في وقت الإرسال، يستهلك المستشعر ما متوسطه 6 مللي أمبير لمدة ثانيتين.

نشأت فكرة استخدام بطارية شمسية ومؤين. بناءً على خصائص الاستهلاك المحددة للمستشعر، تم أخذ العناصر التالية:
1. بطارية شمسية 5 فولت وتيار 50 مللي أمبير تقريبًا (بطارية شمسية سوفيتية الصنع عمرها 15 عامًا تقريبًا)
2. الأيونستور: باناسونيك 5.5 فولت وسعة 1 فاراد.
3. الأيونات عدد 2 : DMF 5.5 فولت وسعة إجمالية 1 فاراد.
4. صمام ثنائي شوتكي مع انخفاض الجهد الأمامي عند تيار منخفض 0.3 فولت.
هناك حاجة إلى صمام ثنائي شوتكي لمنع تفريغ السعة عبر الخلية الشمسية.
الأيونات متصلة على التوازي، والسعة الكلية تساوي 2 فاراد.

الصورة 1.

التجربة رقم 1– توصيل متحكم دقيق بشاشة LCD أحادية اللون وإجمالي استهلاك تيار 500 ميكرو أمبير. على الرغم من أن وحدة التحكم الدقيقة المزودة بشاشة العرض تعمل، فقد لاحظت أن الخلايا الشمسية القديمة كانت غير فعالة للغاية، وكان تيار الشحن في الظل غير كافٍ لشحن الأيونات إلى أي حد، وكان الجهد الكهربي على البطارية الشمسية بقدرة 5 فولت في الظل أقل من 2 فولت. (لبعض الأسباب، لا يظهر في الصورة وحدة التحكم الدقيقة والشاشة).

التجربة رقم 2
ولزيادة فرصة النجاح، قمت بشراء خلايا شمسية جديدة من سوق الراديو بقيمة اسمية 2 فولت، وتيار 40 مللي أمبير و100 مللي أمبير، مصنوعة في الصين ومملوءة بالراتنج البصري. للمقارنة، أنتجت هذه البطاريات في الظل بالفعل 1.8 فولت، في حين أن تيار الشحن لم يكن مرتفعا، لكن أيونيستور الشحن كان لا يزال أفضل بشكل ملحوظ.
بعد أن قمت بلحام الهيكل ببطارية جديدة وصمام ثنائي شوتكي ومكثفات، وضعته على حافة النافذة حتى يتم شحن المكثف.
على الرغم من حقيقة أن ضوء الشمس لم يضرب البطارية بشكل مباشر، إلا أنه بعد 10 دقائق تم شحن المكثف إلى 1.95 فولت. أخذت مستشعر درجة الحرارة وأزلت البطارية منه وقمت بتوصيل الأيونستور بالبطارية الشمسية بملامسات حجرة البطارية.

الصورة 2.

بدأ مستشعر درجة الحرارة في العمل على الفور وأرسل درجة حرارة الغرفة إلى محطة الأرصاد الجوية. بعد التأكد من أن المستشعر يعمل، قمت بتوصيل مكثف به بطارية شمسية وعلقته في مكانه.
ماذا حدث بعد ذلك؟
عمل المستشعر بشكل صحيح طوال ساعات النهار، ولكن مع حلول الظلام، بعد ساعة، توقف المستشعر عن إرسال البيانات. من الواضح أن الشحنة المخزنة لم تكن كافية حتى لمدة ساعة من تشغيل المستشعر، ومن ثم أصبح من الواضح السبب...

التجربة رقم 3
قررت تعديل التصميم قليلاً بحيث يتم شحن الأيونيستور (الذي أعاد مجموعة الأيونات 2 فاراد) بالكامل. قمت بتجميع بطارية من ثلاثة عناصر، اتضح أنها 6 فولت والتيار 40 مللي أمبير (في ضوء الشمس الكامل). توفر هذه البطارية الموجودة في الظل بالفعل ما يصل إلى 3.7 فولت بدلاً من 1.8 فولت السابقة (الصورة 1) وتيار شحن يصل إلى 2 مللي أمبير. وبناءً على ذلك، تم شحن المؤين بقوة 3.7 فولت وكان لديه بالفعل طاقة مخزنة أكبر بكثير مقارنة بالتجربة رقم 2.

الصورة 3.

سيكون كل شيء على ما يرام، ولكن الآن لدينا خرج يصل إلى 5.5 فولت، ويتم تشغيل المستشعر بجهد 1.5 فولت. ويلزم وجود محول DC/DC، والذي بدوره يؤدي إلى خسائر إضافية. استهلك المحول المتوفر لدي حوالي 30 ميكرو أمبير وأعطى 4.2 فولت عند الخرج. لم أتمكن حتى الآن من العثور على المحول اللازم لتشغيل مستشعر درجة الحرارة من التصميم الذي تمت ترقيته. (سوف تحتاج إلى تحديد محول وتكرار التجربة).

حول فقدان الطاقة:
لقد ذكرنا أعلاه أن الأيونات لديها تيار تفريغ ذاتي، وفي هذه الحالة بالنسبة لتجميع 2 فاراد كان 50 ميكرو أمبير، وهنا أيضًا تمت إضافة خسائر في محول DC/DC تبلغ حوالي 4% (الكفاءة المعلنة 96%) وقيمتها سرعة الخمول 30 μA. إذا لم نأخذ في الاعتبار خسائر التحويل، فلدينا بالفعل استهلاك يبلغ حوالي 80 ميكرو أمبير.
من الضروري إيلاء اهتمام خاص لتوفير الطاقة، لأنه ثبت تجريبيًا أن الأيونستور بسعة 2 فاراد مشحونًا بـ 5.5 فولت ومفرغًا حتى 2.5 فولت، لديه، إذا جاز التعبير، سعة "بطارية" تبلغ 1 مللي أمبير. بمعنى آخر، من خلال استهلاك 1 مللي أمبير من الأيونستور لمدة ساعة، سنقوم بتفريغه من 5.5 فولت إلى 2.5 فولت.

حول معدل الشحن بواسطة أشعة الشمس المباشرة:
كلما زاد التيار المستلم من البطارية الشمسية، كلما كانت إضاءة البطارية أفضل بأشعة الشمس المباشرة. وبناء على ذلك، فإن معدل شحن الأيونيستور يزيد بشكل كبير.

الصورة 4.

من قراءات المتر المتعدد يمكنك أن ترى (0.192 فولت، القراءات الأولية)، بعد دقيقتين تم شحن المكثف إلى 1.161 فولت، وبعد 5 دقائق إلى 3.132 فولت، وبعد 10 دقائق أخرى إلى 5.029 فولت. وفي غضون 17 دقيقة، تم شحن الأيونيستور إلى 90٪ . تجدر الإشارة إلى أن إضاءة البطارية الشمسية كانت غير متساوية طوال الوقت وحدثت من خلال زجاج النافذة المزدوجة والطبقة الواقية للبطارية.

التقرير الفني للتجربة رقم 3
الخصائص التقنية للتخطيط:
- بطارية شمسية 12 خلية، 6 فولت، تيار 40 مللي أمبير (مع التعرض الكامل لأشعة الشمس)، (في ظل الطقس الغائم 3.7 فولت والتيار 1 مللي أمبير مع حمل على الأيونستور).
- يتم توصيل الأيونات على التوازي، السعة الإجمالية 2 فاراد، الجهد المسموح به 5.5 فولت، تيار التفريغ الذاتي 50 ميكرو أمبير؛
- صمام ثنائي شوتكي مع انخفاض الجهد الأمامي بمقدار 0.3 فولت، يستخدم لفصل مصدر الطاقة للبطارية الشمسية والأيونستور.
- أبعاد التخطيط 55 × 85 ملم (بطاقة فيزا بلاستيكية).
ومن هذا التخطيط تمكنا من الحصول على:
وحدة تحكم دقيقة مع شاشة LCD (الاستهلاك الحالي 500 ميكرو أمبير عند 5.5 فولت، وقت التشغيل بدون بطارية شمسية، حوالي 1.8 ساعة)؛
مستشعر درجة الحرارة، ساعات النهار مع البطارية الشمسية، استهلاك 6 مللي أمبير لمدة ثانيتين كل 40 ثانية؛
توهج مؤشر LED لمدة 60 ثانية بمتوسط ​​تيار 60 مللي أمبير بدون بطارية شمسية؛
لقد جربنا أيضًا محول جهد DC/DC (لإمداد طاقة مستقر)، والذي تمكنا من خلاله من الحصول على 60 مللي أمبير و4 فولت خلال 60 ثانية (عند شحن الأيونستور إلى 5.5 فولت، بدون بطارية شمسية).
تشير البيانات التي تم الحصول عليها إلى أن الأيونات في هذا التصميم لها سعة تقريبية تبلغ 1 مللي أمبير (بدون إعادة الشحن من بطارية شمسية بتفريغ يصل إلى 2.5 فولت).

الاستنتاجات:
يسمح هذا التصميم بتخزين الطاقة في المكثفات لتوفير الطاقة المستمرة للأجهزة الصغيرة المستهلكة. يجب أن تكون السعة المتراكمة البالغة 1 مللي أمبير لكل 2 فاراد من سعة المكثف كافية لضمان تشغيل المعالج الدقيق منخفض الطاقة في الظلام لمدة 10 ساعات. في هذه الحالة، يجب ألا يتجاوز إجمالي خسائر التيار واستهلاك الحمل 100 ميكرو أمبير. خلال النهار، يتم إعادة شحن الأيونيستور من بطارية شمسية حتى في الظل وهو قادر على توفير الحمل في وضع النبض بتيار يصل إلى 100 مللي أمبير.

نجيب على السؤال في عنوان المقال - هل يمكن للأيونيستور استبدال البطارية؟
- يمكن أن يحل محل، ولكن في الوقت الحالي مع قيود كبيرة على الاستهلاك الحالي وتحميل وضع التشغيل.

عيوب:

• سعة تخزين منخفضة الطاقة (حوالي 1 مللي أمبير لكل 2 فاراد من سعة الأيونستور)
• تيار تفريغ ذاتي كبير للمكثفات (خسارة تقدر بـ 20% من السعة يوميًا)
• يتم تحديد أبعاد الهيكل من خلال البطارية الشمسية والسعة الإجمالية للأيونات.

مزايا:

• غياب العناصر الكيميائية القابلة للارتداء (البطاريات)
• تتراوح درجة حرارة التشغيل من -40 إلى +60 درجة مئوية
• بساطة التصميم
• ليست تكلفة عالية

وبعد كل التجارب التي تمت جاءت فكرة تحديث التصميم كالتالي:

الصورة 5.

على أحد جانبي اللوحة توجد بطارية شمسية، وعلى الجانب الآخر توجد مجموعة من الأيونات ومحول DC\DC.

تحديد:

• بطارية شمسية 12 خلية، 6 فولت، تيار 60 مللي أمبير (مع التعرض الكامل لأشعة الشمس)؛
• القدرة الإجمالية للأيونات 4 ؛ 6 أو 16 فاراد، الجهد المسموح به 5.5 فولت، إجمالي تيار التفريغ الذاتي على التوالي 120\140\(غير معروف بعد) μA؛
• يتم استخدام صمام ثنائي شوتكي مزدوج مع انخفاض الجهد الأمامي بمقدار 0.15 فولت لفصل مصدر الطاقة للبطارية الشمسية والأيونستور؛
• أبعاد التخطيط: 55 × 85 مم (بطاقة فيزا البلاستيكية)؛
• القدرة المقدرة دون إعادة الشحن من الألواح الشمسية عند تركيب المكثفات 4؛ 6 أو 16 فاراد يساوي تقريباً 2\3\8 مللي أمبير.

ملاحظة: إذا لاحظت وجود خطأ مطبعي أو خطأ أو عدم دقة في الحسابات، فاكتب لنا رسالة شخصية وسنقوم بتصحيح كل شيء على الفور.

يتبع…

عند تصميم الأجهزة والأجهزة الإلكترونية الحديثة، غالبا ما يواجه المطور مسألة النسخ الاحتياطي أو مصدر الطاقة المستقل لجهازه. كقاعدة عامة، اعتمادًا على طبيعة استهلاك الكهرباء والمهام، يتم استخدام المكثفات الإلكتروليتية أو البطاريات القابلة لإعادة الشحن أو البطاريات في هذه الحالة. ومع ذلك، فإن استخدام الأجهزة المذكورة أعلاه أو مزيجها، نظرًا لخصائص كل جهاز، لا يحل المشكلة دائمًا بشكل كامل.

عند تنفيذ مصدر طاقة مستقل، غالبًا ما يكون من الضروري أيضًا تنفيذ تيارات أولية كبيرة قصيرة المدى (على سبيل المثال، أداة طاقة محمولة تعمل بالبطارية)، ولا يمكن إدارتها فقط باستخدام البطارية. ثم استخدم مجموعة بطارية (أو بطارية)/مكثف كهربائيا. يوفر المجمع أو البطارية طاقة غير متطايرة طويلة المدى، كما يوفر المكثف الإلكتروليتي تيارًا عاليًا قصير المدى للحمل. في الآونة الأخيرة نسبيا، ظهرت فئة جديدة من الأجهزة - الأيونات. على عكس البطاريات أو المراكم أو المكثفات الإلكتروليتية، التي تستخدم تفاعلات كيميائية لا رجعة فيها أو عكسها أو شحنة المكثف الكلاسيكية، على التوالي، تستخدم المكثفات الفائقة آلية "طبقة كهربائية مزدوجة". تتمتع الأيونات بعدد من المزايا مقارنة بالأجهزة المذكورة أعلاه: نطاق درجة حرارة واسع، سعة كبيرة، مقاومة عزل عالية (تيارات تسرب منخفضة)، عمر خدمة طويل، لا حاجة للتحكم في عملية الشحن، ما يصل إلى عدة عشرات الآلاف من الشحن/التفريغ دورات.

اليوم، يتم إنتاج الأيونات من قبل العديد من الشركات المصنعة، المحلية والأجنبية. تستخدم هذه المقالة مواد من باناسونيك، وباستخدام مثال الأيونيستورات من هذه الشركة، التي حصلت على اسم العلامة التجارية Gold Capacitors (Gold Cap)، سنلقي نظرة على الفيزياء ومبدأ التشغيل وخيارات التصميم الممكنة والدوائر المكافئة والخصائص والمعلمات , فضلا عن توصيات للتطبيقات الممكنة .

المبادئ الفيزيائية والكيميائية لعملية الأيونستور

من المعروف أن المكثفات التقليدية تحتوي على عازل متعدد الطبقات أو متجانس بين لوحين. على سبيل المثال، يستخدم مكثف التحليل الكهربائي من الألومنيوم طبقة أكسيد الألومنيوم كطبقة عازلة، بينما يستخدم مكثف التنتالوم طبقة أكسيد التنتالوم كطبقة عازلة. لا يحتوي الأيونستور على طبقة عازلة، بل يستخدم آلية فيزيائية لتشكيل طبقة كهربائية مزدوجة، والتي تعمل بشكل مشابه للعازل الكهربائي المشحون. تحدث عملية الشحن/التفريغ في طبقة من الأيونات المتكونة على أسطح الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة، على سبيل المثال، من الكربون المنشط (الشكل 1). تحت تأثير الجهد المطبق، تنتقل الأنيونات والكاتيونات إلى القطب المقابل وتتراكم على سطح القطب، وبالتالي تشكل طبقة كهربائية مزدوجة مع شحنة القطب. ونتيجة لذلك، ظهر اسم "المكثف الكهربائي مزدوج الطبقة" (EDLC).

أرز. 1. تكوين طبقة كهربائية مزدوجة على أسطح الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة مثلا من الكربون المنشط

مبدأ التشغيل والتصاميم الممكنة

هناك نوعان من الإلكتروليتات التي تستخدمها الشركات المصنعة للأيونستور اليوم: مائي (قابل للذوبان في الماء) وعضوي (غير قابل للذوبان في الماء). يسمح لك المنحل بالكهرباء اللامائي بتطبيق جهد يصل إلى 3 فولت على خلية الأيونستور، وهو ضعف ضعف المنحل بالكهرباء القابل للذوبان في الماء، والذي لا يتجاوز هذا الجهد 1.5 فولت. في هذه الحالة، الكهربائي المزدوج تعمل الطبقة كطبقة عازلة ولا تسمح بمرور التيار. عند مستوى جهد معين من قطبية معينة، سيبدأ التيار بالتدفق بسبب العمليات الكهروكيميائية. يُطلق على حجم هذا الجهد اسم "جهد التحلل" أو "جهد التحلل الكهروكيميائي للمحلول الكهربائي". ستؤدي الزيادة الإضافية في الجهد إلى تحلل المنحل بالكهرباء بشكل أكثر كثافة، مما يؤدي إلى ظهور تيار إضافي، وسوف يفشل الأيونستور. لذلك، عند الشحن، يكون الجهد المطبق على الأيونستور محدودًا بجهد التحلل، ونتيجة لذلك يتم توصيل الأيونستورات في كثير من الأحيان على التوالي.

كما ذكرنا أعلاه، تتشكل شحنات موجبة وسالبة على سطح القطب، وبالتالي تشكل طبقة كهربائية مزدوجة مع شحنة القطب. ستكون الواجهة في هذه الحالة عبارة عن طبقة كهربائية مزدوجة (الشكل 2 أ). وتزداد هذه المساحة عند تطبيق جهد أعلى (الشكل 2ب)، وتزداد الشحنة المتراكمة. سمك الطبقة الكهربائية المزدوجة صغير جدًا ويمكن مقارنته بحجم الجزيء، أي حوالي 5-10 نانومتر. كأقطاب كهربائية، على سبيل المثال، تستخدم الأيونات من باناسونيك الكربون المنشط (على شكل جزء ناعم)، المصنوع باستخدام تقنية مسحوق خاصة، وإلكتروليت عضوي. يخترق المنحل بالكهرباء بين جزيئات الكربون المنشط، وبالتالي يتم "تشريب" القطب الكهربائي مع المنحل بالكهرباء. ويمكن تصور السعة الكلية للأيونستور على أنها عدد كبير من المكثفات الصغيرة، حيث تكون كل جزيئة من الكربون المنشط بمثابة نوع من القطب الكهربائي لمكثف صغير ذو سعة بسبب الطبقة الكهربائية المزدوجة.

أرز. 2. تكوين طبقة كهربائية مزدوجة (أ) وزيادة الشحن عند تطبيق الجهد (ب)

يمكن تمثيل السعة الإجمالية للأيونستور على النحو التالي:

أين د- سمك الطبقة الكهربائية المزدوجة 5-10 نانومتر، س- المساحة السطحية الإجمالية لقطب الكربون المنشط.

بما أن القطب الأيوني عبارة عن مجموعة من عدد كبير من جزيئات الكربون المنشط، فإنه يتمتع بمساحة سطحية "متطورة" كبيرة جدًا، تصل إلى حوالي 2500-3000 سم²/جم. يتيح لك ذلك الحصول على سعة تصل إلى عدة عشرات من الفاراد.

في التين. يوضح الشكل 3 أحد التصميمات المحتملة للمؤين في المقطع العرضي باستخدام مثال سلسلة EN باناسونيك. ولمنع اختراق الأيونات، يوجد "فاصل" ذو خصائص عزل جيدة بين الأقطاب الكهربائية، مما يساعد على منع حدوث دوائر قصيرة بين الأقطاب الكهربائية.

أرز. 3. أحد التصاميم الممكنة للمؤين في المقطع العرضي باستخدام مثال سلسلة EN باناسونيك

دائرة مكافئة

وبما أن طبقة كهربائية مزدوجة تتشكل على سطح الكربون المنشط، الذي يكون على اتصال مع المنحل بالكهرباء، يمكن استخدام دائرة مكافئة باستخدام المكثفات التقليدية للأيونات (الشكل 4). سيكون لكل مكثف صغير يعتمد على هيكل جسيمات الكربون المنشط/الإلكتروليت سعة طبقة كهربائية مزدوجة - Cn. يمكن أن تزيد أو تنقص قيم مقاومة الشحن R sn أثناء عملية الشحن ومقاومة الأيونات غير المعوضة R ln اعتمادًا على المسافة بين الأقطاب الكهربائية "الحاملة للتيار"، وسرعة حركة الأيونات، ومقاومة التلامس. بين جزيئات الكربون المنشط وغيرها من المعالم.

أرز. 4. التمثيل التخطيطي للهيكل متعدد الطبقات الكربون / المنحل بالكهرباء المنشط

يظهر في الشكل دائرة مكافئة للأيونستور تعتمد على اتصال متوازي للمقاومات والسعات للمكثفات الصغيرة. 5 أ. R 1 و R 2 و R n هي مقاومات العزل (المقاومة الداخلية لجزيئات الكربون المنشط)، C 1 و C 2 و C n هي السعة المقابلة للطبقة الكهربائية المزدوجة للمقاومات R 1 و R 2 و R n .

أرز. 5. خيارات لدائرة مكافئة للأيونستور تعتمد على مكثفات صغيرة من طبقة كهربائية مزدوجة من كل جسيم من الكربون المنشط ومقاومة العزل (مقاومة جزيئات الكربون المنشط) (أ) مع مراعاة مقاومة الأقطاب الكهربائية والفاصل ( ب)

إذا تم تطبيق الجهد (V) على الدائرة المكافئة الموضحة في الشكل. 5b، والذي يأخذ في الاعتبار مقاومة الأقطاب الكهربائية والفاصل، ثم تيار الشحن ( أنا) يمكن وصفها على النحو التالي:

تجدر الإشارة إلى أنه عندما ينخفض ​​تيار الشحن (i)، فإن وقت الشحن سيزيد. سيتم تمثيل تيار الشحن، وفقاً للمعادلة (2)، بيانياً كخط مستقيم. ومع ذلك، في الواقع، فإن منحنى تيار الشحن ذو طبيعة أسية (الشكل 6 أ، ب). يمكن تمثيل التيار (i) داخل المؤين كمجموع التيارات المتدفقة عبر كل من المكثفات الصغيرة (الشكل 6 ب، 7 أ). تجدر الإشارة أيضًا إلى أنه إذا كان ثابت وقت CxR صغيرًا، فسيكون وقت الشحن قصيرًا أيضًا، والعكس صحيح، إذا كانت قيمة CxR كبيرة، فسيكون وقت الشحن طويلًا. أي أنه إذا كان وقت الشحن محدودًا ببضع دقائق أو كان مصدر الشحن محدودًا، فلن يتمكن المكثف الفائق من الشحن بما يكفي لتخزين الطاقة المحددة للوقت المطلوب.

أرز. 6. اعتماد تيار الشحن على وقت الشحن: أ) التبعيات المحسوبة والحقيقية؛ ب) كمجموع التيارات من خلال المكثفات الصغيرة

أرز. 7. دائرة مكافئة بقيم الجهد مباشرة بعد عملية الشحن وبعد التفريغ (أ) وانخفاض الجهد في بداية التشغيل بسبب عدم كفاية شحن المكثفات الصغيرة (ب)

المعلمات الكهربائية والتشغيلية والموثوقية للأيونات

سعة

في ظل ظروف التشغيل والاختبار المماثلة، تكون سعة المكثف الفائق مماثلة للقدرة الفعالة للبطارية. كما ذكرنا سابقًا، يمكن تمثيل المكثف الفائق كدائرة مكافئة للمكثفات الصغيرة التي لها قيم مقاومة مختلفة. إذا كان جهد الشحن الأولي أقل من جهد الشحن الكامل (V 0)، ففي بداية قياس السعة بعد إزالة جهد الشحن، سينخفض ​​الجهد الموجود على الأيونستور (الشكل 8). ويرجع ذلك إلى وجود مكثفات صغيرة غير مشحونة بالكامل ذات مقاومة داخلية عالية. ومع ذلك، من خلال زيادة وقت الشحن، سيتم شحن هذه المكثفات الصغيرة ذات المقاومة الداخلية العالية، مما يؤدي إلى زيادة السعة المقاسة.

أرز. 8. اعتماد الجهد على الأيونيستور في الوقت المحدد

يمكن تقدير سعة المكثف الفائق على النحو التالي:

أين مع- القدرة الكهروستاتيكية (F)، أنا- اختبار الحالي (أ)، الخامس 1 –الخامس 2 - نطاق جهد الاختبار (V) ر- الوقت (ج). السعة، بطبيعة الحال، تعتمد على التيار. إذا كان تيار التفريغ كبيرًا أو تم تفريغ المكثف لفترة طويلة من الزمن، فستكون السعة الناتجة صغيرة. على العكس من ذلك، إذا كان تيار التفريغ صغيرًا أو تم تفريغ المكثف لفترة قصيرة من الزمن، فإن السعة الكهروستاتيكية المقاسة ستكون كبيرة. لذلك، من أجل الحصول على قياسات قابلة للتكرار، يتم استخدام تيار تفريغ قياسي قدره 1 مللي أمبير/F.

المقاومة الداخلية

المقاومة الداخلية للمكثف الفائق، على سبيل المثال، عالية مقارنة بالمكثفات الإلكتروليتية، حيث أن الدائرة المكافئة للمكثف الفائق تتكون من توصيلات لعدد كبير من المكثفات الصغيرة ذات قيم مقاومة داخلية مختلفة. عادة يمكن تمثيل قيم هذه المقاومات لجهد ثابت. ولكن للحصول على قيمتها الحقيقية، فمن الضروري استخدام المعاوقة المعقدة Z (على سبيل المثال، عند 1 كيلو هرتز). إذا تم قياس التيار من 30 إلى 60 دقيقة بعد تطبيق الجهد المقنن، فسيكون كبيرًا جدًا، يصل إلى 10 ميكرو أمبير، نظرًا لأن هذا التيار هو مجموع تيارات الشحن المتدفقة عبر المكثفات الصغيرة. نظرًا لأنه من الصعب للغاية تحديد تيارات التسرب في الأيونات، فغالبًا ما لا يتم الإشارة إليها في الوثائق. يستغرق شحن المكثف بالكامل 10 ساعات على الأقل حتى يصبح من الممكن تقييم تيار التسرب.

خصائص الشحن

يمكن تمثيل خاصية الشحن الخاصة بالمؤين، مع مراعاة بعض الافتراضات، بالتعبير (4):

في التين. يوضح الشكل 9 أ اعتماد الجهد على المكثف الفائق EECF5R5U104 من باناسونيك على وقت الشحن عند مقاومات حمل مختلفة. مع زيادة المقاومة، تصبح الخاصية مسطحة ويزداد وقت الشحن.

يتم إعطاء وقت التفريغ لمقاومة التيار المستمر والحمل الثابت أثناء التفريغ في التعبيرين (5) و (6) على التوالي:

أين: ر- وقت، مع- سعة، الخامس 0 - الجهد الداخلي، الخامس 1- بعد الجهد ر(مع), أنا- الحمل الحالي، ر- مقاومة الحمل.

في التين. يوضح الشكل 9 ب اعتماد جهد أيونستور باناسونيك EECF5R5U104 على وقت التفريغ في أوقات شحن مختلفة. يمكن ملاحظة أنه، على سبيل المثال، عندما يتغير وقت عملية الشحن من ساعة واحدة إلى 100 ساعة، يتغير الجهد فعليًا من 2.5 إلى 2.8 فولت، أي أن عملية شحن الأيونستور يمكن أن تكون سريعة جدًا.

أرز. 9. اعتماد جهد الأيونستور على وقت الشحن عند مقاومات مختلفة (أ) ووقت التفريغ في أوقات شحن مختلفة (ب)

خصائص التفريغ والتفريغ الذاتي

ويمكن عرض خصائص تفريغ الأيونستور، مع الأخذ في الاعتبار (3)، على النحو التالي:

يمكن عرض خصائص التفريغ الذاتي للأيونيستور على النحو التالي:

أين ر ل- مقاومة العزل (مجموع مقاومات جزيئات الكربون المنشط للقطب).

عمر الخدمة المقدر وعمر الخدمة والنسخ الاحتياطي

ويمكن تقدير عمر الخدمة المتوقع على النحو التالي:

عادة ما تكون مدة خدمة الأيونستور محدودة بالوقت ر النسخ الاحتياطي، والتي يتم تحديدها وفقًا لظروف التشغيل. ر النسخ الاحتياطي(وقت النسخ الاحتياطي) - هذا هو الوقت الذي يعمل فيه الأيونستور كمصدر طاقة احتياطي بين دورات الشحن والتفريغ.

على سبيل المثال، دعونا نقدر ر النسخ الاحتياطيبالنسبة لباناسونيك من النوع F، EECF5R5H105 (5.5 فولت، 1.0 فهرنهايت)، شحن كامل عند جهد تيار مستمر 5.0 فولت، تيار تفريغ 10 ميكرو أمبير. درجة الحرارة عند التفريغ هي -40 درجة مئوية، والجهد الذي يتم تفريغ الأيوني عنده هو 2 فولت.

معامل ر النسخ الاحتياطييمكن حسابها على النحو التالي:

أين ج- قدرة الأيونستور (F)، أنا- الحالي خلال ر النسخ الاحتياطي(أ)، انا- التسرب الحالي (أ)، ر- المقاومة الداخلية للأيونستور (أوم عند 1 كيلو هرتز)، الخامس 1 - الجهد الذي سيتم تفريغ الأيوني عنده (V) ، الخامس 0 - الجهد المطبق (V).

ثم ج= 0.8 فهرنهايت (1.0 فهرنهايت - 20%)، ر= 50 أوم، الخامس 0 = 5 فولت، الخامس 1 = 2 فولت، أنا=10 ميكروأ. لذلك: ر النسخ الاحتياطي= 0.8×(5–0.0005–2)/(10+2×10 –6) = 55 ساعة.

يوضح هذا الحساب أن الوقت الذي سيعمل فيه المكثف الفائق في ظل الظروف المحددة كمصدر طاقة احتياطي هو حوالي 55 ساعة.

إذا أخذنا على سبيل المثال تغيرًا حقيقيًا في السعة بنسبة 30% لتغير المقاومة الداخلية بمقدار أربعة أضعاف، عند 85 درجة مئوية و5.5 فولت، فبعد 1000 ساعة من التشغيل ر النسخ الاحتياطيسوف تتغير وسوف يكون حوالي 38 ساعة.

لمراعاة عامل درجة الحرارة للأيونات، يمكنك استخدام معادلة أرهينيوس، والتي بموجبها يتضاعف عمر خدمة الجهاز مع انخفاض درجة الحرارة المحيطة بمقدار كل عشر درجات.

عند تغيير الجهد من 5.5 إلى 5 فولت، فإن عامل الجهد للتغير في السعة سيكون 1.1. هكذا، مدة الخدمة المتوقعة = مدة الخدمة × عامل درجة الحرارة × عامل الجهد= 1000 (ح)×22.6×1.1 = 24800 (ح) = 2.8 سنة.

يحتل نطاق سعات الأيونستور موقعًا متوسطًا بين سعات مكثف الألمنيوم الإلكتروليتي والبطاريات والبطاريات (الشكل 10). يتم استخدام الأيونيستور بشكل أساسي كمصدر طاقة احتياطي أو مستقل، بالإضافة إلى بديل للبطاريات أو المراكم.

أرز. 10. مجموعة من سعات الأيونستور ومكثف الألمنيوم الكهربائي والبطاريات والبطاريات

حياة. عمر خدمة الأيونات طويل جدًا. في الواقع، عندما يتم الاحتفاظ بالمكثف الفائق في الظروف المناسبة، يمكن أن يستمر لفترة طويلة مثل المعدات التي يتم استخدامه فيها.

نطاق درجة حرارة التشغيل واسعة. تكون البطاريات بشكل عام عرضة للتغيرات في درجات الحرارة وتميل إلى فقدان الطاقة عند تسخينها أو عند درجات حرارة منخفضة، مثل أقل من 0 درجة مئوية. يمكن لبعض الأيونات أن تعمل حتى نطاق درجات الحرارة الصناعية.

لا حاجة للتحكم في الشحن. تولد بطاريات Ni-Cd حرارة أثناء الشحن أو التفريغ، مما يقلل من عمر الخدمة، ومن هنا الحاجة إلى دوائر التحكم في الشحن والحمل. ليس لدى أجهزة التأين أي قيود على عملية الشحن والتفريغ ولا تحتاج إلى التحكم في عملية الشحن.

معدل الشحن، دورات الشحن/التفريغ. بالنسبة إلى الأيونات، من الممكن الشحن السريع وعدد كبير من دورات الشحن/التفريغ (ما يصل إلى عدة عشرات الآلاف)، حيث لا تحدث تفاعلات كيميائية داخلية فيها، كما هو الحال في البطاريات على سبيل المثال. تعتبر وحدات التأين مثالية للدوائر التي تتطلب عمليات شحن سريعة.

النظافة البيئية. لا تستخدم المكثفات الفائقة من باناسونيك أي مواد سامة مثل الرصاص أو الكادميوم أو الزئبق. تلبي المكثفات الفائقة من باناسونيك جميع متطلبات RoHS.

أنواع وخصائص الأيونات باناسونيك

الجدول 3. النطاق الحالي

كما ذكرنا سابقًا، يمكن وصف عملية شحن الأيونستور، مع مراعاة بعض الافتراضات، بالتعبير (4). في التين. يوضح الشكل 12 أ خاصية الشحن لأيونستور باناسونيك EECF5R5U105 عند مقاومتين مختلفتين. وبما أن الاعتماد أسي، يتم ملاحظة الاختلافات الفعلية في المرحلة الأولية من الشحن، في غضون 6-7 دقائق. في التين. يُظهر الشكل 12 ب لنفس الأيونستور خاصية التفريغ الذاتي. ويمكن ملاحظة أن عملية الشحن تكون مثالية عندما تكون مدة الشحن أكثر من 24 ساعة، إلا أن مدة الشحن لا تؤثر على عملية التفريغ الذاتي كثيراً، حيث أن المقاومة الداخلية للأيونستور في هذه الحالة تتغير فقط بسبب مقاومة الأيونات المعاد توزيعها. كلما انخفضت درجة حرارة تشغيل الأيونستور، زاد وقت التفريغ الذاتي، وسيكون عمر خدمة الجهاز أطول بكثير (الشكل 13). نظرًا لأن اعتماد وقت التفريغ على السعة ومقاومة الحمل يتناسب طرديًا، وعلى الجهد - اللوغاريتمي (انظر الاعتماد 6)، ثم مع سعة أكبر للأيونستور ومقاومة الحمل، تكون الأشياء الأخرى متساوية (درجة الحرارة، ظروف الشحن ، وما إلى ذلك)، سيكون وقت عملية التفريغ أكبر (الشكل 14 أ، ب). خصائص التفريغ، على عكس التفريغ الذاتي، تعتمد بشكل أقل على درجة الحرارة (الشكل 15). التغيير في السعة، على سبيل المثال، لـ EECF5R5U104 (5.5 فولت، 0.1 فهرنهايت) (ظروف القياس: 5.5 فولت، +70 درجة مئوية) من تيار التفريغ والجهد المطبق ودرجة الحرارة، يبدأ فعليًا في الظهور في أوقات تتجاوز 1000 ساعة ( الشكل 1). 16).

في الآونة الأخيرة نسبيا، أصبح ما يسمى ionistors متاحة على نطاق واسع. وتسمى أيضًا المكثفات الفائقة. وهي قابلة للمقارنة من حيث الحجم بالمكثفات الإلكتروليتية التقليدية، ولكنها تتمتع بقدرة أكبر بكثير مقارنة بها.

الأيونيستور هو نوع من الهجين من مكثف وبطارية. في الأدب الأجنبي، يسمى الأيونيستور باختصار اي دي ال سي، و التي تعني ه lectric دمزدوج لآير جمكثف، والذي يعني باللغة الروسية: مكثف بطبقة كهربائية مزدوجة. يعتمد تشغيل الأيونستور على العمليات الكهروكيميائية.

جهاز الأيونستور.

الفرق بين الأيونيستور والمكثف هو أنه لا توجد طبقة عازلة خاصة بين أقطابه الكهربائية. وبدلاً من ذلك، فإن أقطاب الأيونستور مصنوعة من مواد ذات أنواع متضادة من حاملات الشحنة.

كما هو معروف فإن السعة الكهربائية للمكثف تعتمد على مساحة الألواح: فكلما كانت أكبر كلما زادت السعة. لذلك، غالبًا ما تكون أقطاب الأيونستور مصنوعة من الكربون الرغوي أو الكربون المنشط. بفضل هذه التقنية، من الممكن الحصول على مساحة كبيرة من "اللوحات" الأصلية. يتم فصل الأقطاب الكهربائية بواسطة فاصل وكل هذا موجود في المنحل بالكهرباء. الفاصل ضروري فقط لحماية الأقطاب الكهربائية من الدوائر القصيرة. يتكون المنحل بالكهرباء على أساس محاليل الأحماض والقلويات وهو بلوري وصلب.

على سبيل المثال، استخدام إلكتروليت بلوري صلب يعتمد على الروبيديوم والفضة واليود ( رباج 4 أنا 5) من الممكن إنشاء مؤينات ذات تفريغ ذاتي منخفض وسعة عالية وتتحمل درجات الحرارة المنخفضة. ومن الممكن أيضًا تصنيع الأيونات بناءً على إلكتروليتات المحاليل الحمضية، مثل H2SO4. تتمتع هذه الأيونات بمقاومة داخلية منخفضة، ولكن أيضًا جهد تشغيل منخفض يبلغ حوالي 1 فولت. في الآونة الأخيرة، لا يتم إنتاج الأيونات المستندة إلى إلكتروليتات من المحاليل القلوية والحمضية أبدًا، نظرًا لأن مثل هذه الأيونات تحتوي على مواد سامة.

نتيجة للتفاعلات الكهروكيميائية، تتم إزالة عدد صغير من الإلكترونات من الأقطاب الكهربائية. في هذه الحالة، تكتسب الأقطاب الكهربائية شحنة موجبة. تنجذب الأيونات السالبة الموجودة في المنحل بالكهرباء بواسطة الأقطاب الكهربائية المشحونة بشكل إيجابي. ونتيجة لهذه العملية برمتها، يتم تشكيل طبقة كهربائية.

يتم الحفاظ على الشحنة في المؤين عند السطح البيني بين قطب الكربون والكهارل. سمك الطبقة الكهربائية، التي تتكون من الأنيونات والكاتيونات، هو قيمة صغيرة جدا، تساوي أحيانا 1...5 نانومتر (نانومتر). وكما هو معروف، كلما قلت المسافة بين الألواح، زادت السعة.

تشمل الصفات الإيجابية الرئيسية للأيونات ما يلي:

وقت قصير للشحن والتفريغ. بفضل هذا، يمكن شحن الأيونستور واستخدامه بسرعة، في حين أن شحن البطاريات يستغرق وقتًا طويلاً؛

عدد دورات الشحن/التفريغ - أكثر من 100000؛

لا حاجة للصيانة؛

خفيفة الوزن والأبعاد.

لا حاجة إلى أجهزة شحن معقدة للشحن؛

يعمل في نطاق درجة حرارة واسع (-40…+70 درجة مئوية). عند درجات حرارة أعلى من +70 درجة مئوية، يتم تدمير الأيونيستور، كقاعدة عامة؛

عمر خدمة طويل.

تشمل الخصائص السلبية للأيونيستور التكلفة العالية التي لا تزال مرتفعة، بالإضافة إلى الجهد المنخفض إلى حد ما في أحد عناصر الأيونستور. يعتمد جهد التشغيل المقنن للأيونستور على نوع المنحل بالكهرباء المستخدم فيه.

لزيادة جهد تشغيل الأيونستور، يتم توصيلهما على التوالي، تمامًا كما هو الحال عند توصيل البطاريات. صحيح، من أجل التشغيل الموثوق لمثل هذا المؤين المركب، يجب أن يتم تحويل كل مؤين فردي بمقاوم. يتم ذلك من أجل معادلة الجهد على كل مؤين فردي. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن معلمات الأيونات الفردية تختلف. يجب أن يكون التيار الذي يتدفق عبر مقاومة التعادل أكبر بعدة مرات من تيار التسرب (التفريغ الذاتي) للأيونستور. قيمة تيار التفريغ الذاتي للأيونات منخفضة الطاقة هي عشرات الميكرو أمبير.

ومن الجدير بالذكر أيضًا أن المكثف الفائق هو مكون قطبي. لذلك، عند توصيله بالدائرة، يجب مراعاة القطبية.

بالإضافة إلى ذلك، يجب عليك تجنب حدوث ماس كهربائي في أطراف الأيونستور. وعلى الرغم من أن الأيونيستورات مقاومة تماما للدوائر القصيرة، إلا أنها يمكن أن تؤدي إلى زيادة مفرطة في درجة الحرارة فوق الحد الأقصى بسبب التأثير الحراري للتيار، وهذا سيؤدي إلى تلف الأيونيستور.

تعمل الأيونات بشكل جيد في دوائر التيار المستمر والتيار النابض. صحيح، إذا كان هناك تيار نابض عالي التردد يتدفق عبر الأيونستور، فيمكن أن يسخن بسبب المقاومة الداخلية العالية عند الترددات العالية. وكما سبق أن ذكرنا فإن زيادة درجة حرارة أقطاب الأيونستور عن الحد الأقصى المسموح به يؤدي إلى تلفها.

تشير وثائق الأيونستور، كقاعدة عامة، إلى قيمة مقاومته الداخلية بتردد 1 كيلو هرتز. على سبيل المثال، بالنسبة للمؤين DB-5R5D105T بسعة 1 فاراد، تكون المقاومة الداخلية عند تردد 1 كيلو هرتز هي 30 أوم. هناك أيضًا أيونات ذات مقاومة داخلية أقل. تم وضع علامة عليها على أنها مقاومة منخفضةأو انخفاض معدل سرعة الترسيب (ESR).. يتم شحن مثل هذه الأيونات بشكل أسرع.

بالنسبة للتيار المباشر، تكون المقاومة الداخلية للأيونستور صغيرة وتتراوح من ملي أوم إلى عشرات الأوم.

تحديد الأيونيستور في الرسم التخطيطي.

في المخططات، تم تحديد الأيونيستور بنفس طريقة المكثف الإلكتروليتي. ثم يطرح السؤال: "كيف يمكننا تحديد أن الأيونستور هو الذي يظهر في مخطط الدائرة؟"

يمكنك تحديد أن الرسم التخطيطي يوضح الأيونستور بقيمة المعلمات الاسمية. إذا تمت الإشارة إلى ذلك بجوار التعيين، على سبيل المثال، 1F * 5.5 فولت، سيتبين على الفور أن هذا مؤين. وكما تعلمون، لا توجد مكثفات إلكتروليتية بسعة 1 فاراد، وإذا وجدت فإن أبعادها كبيرة. من الملاحظ أيضًا على الفور الجهد الاسمي البالغ 5.5 فولت. وكما ذكرنا سابقًا ، فإن الأيونات ، من حيث المبدأ ، ليست مصممة لجهد التشغيل العالي.

أين يتم استخدام الأيونات؟

في كثير من الأحيان، يمكن العثور على الأيونات في المعدات الرقمية. هناك تعمل كمصدر طاقة مستقل أو احتياطي لوحدات التحكم الدقيقة (IC) أو شرائح الذاكرة (RAM) أو شرائح CMOS (CMOS) أو الساعات الإلكترونية (RTC). وبفضل هذا، حتى عندما تكون الطاقة الرئيسية في حالة إيقاف التشغيل، يحتفظ الجهاز الإلكتروني بالإعدادات المحددة وحركة الساعة. على سبيل المثال، يستخدم مشغل صوت الكاسيت Walkman مكثفًا فائقًا مصغرًا.

عند استبدال البطاريات أو البطاريات في المشغل، يتم إلغاء تنشيطه بالكامل، مما يؤدي حتما إلى محو الإعدادات (على سبيل المثال، ترددات محطات الراديو، وإعدادات التعادل، وإعادة ضبط الساعة الإلكترونية). لكن هذا لا يحدث بسبب حقيقة أن الدائرة الإلكترونية في وضع "الاستعداد" مدعومة بواسطة أيونستور مشحون. وعلى الرغم من أن سعتها أصغر بشكل غير متناسب من سعة البطارية أو البطارية، إلا أن هذا يكفي لحفظ الإعدادات وتشغيل الساعة لعدة أيام!

المكثف الفائق هو مكون إلكتروني جديد إلى حد ما. تم تطوير المكثف الفائق لأول مرة في الولايات المتحدة في الستينيات. وفي وقت لاحق، في عام 1978، ظهر الأيونيون في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية تحت العلامة التجارية K58-1. كان هذا أول مؤين محلي. ثم بدأت الصناعة في إنتاج المؤينات من علامتي K58-15 و K58-16.

كيف يمكن استخدام الأيونيستور في التصاميم محلية الصنع؟ يمكن استخدامه كمصدر طاقة في حالات الطوارئ، على سبيل المثال في تصميمات وحدات التحكم الدقيقة. فيما يلي أبسط رسم تخطيطي لتوصيل الأيونستور بدائرة الطاقة لجهاز إلكتروني.

يعمل الصمام الثنائي VD1 على منع تفريغ الأيونستور C1 عندما يكون جهد الإمداد 0 (Upit = 0). باعتباره الصمام الثنائي VD1، من الأفضل استخدام صمام ثنائي شوتكي، على سبيل المثال، 1N5817 وما شابه ذلك، حيث أن لديهم انخفاض الجهد المنخفض عبر الوصلة المفتوحة. يمنع المقاوم R1 مصدر الطاقة من التحميل الزائد عن طريق الحد من تيار شحن الأيونستور. لا يلزم تركيبه إذا كان مصدر الطاقة يمكنه تحمل تيار حمل يتراوح بين 100 - 250 مللي أمبير. R n هي مقاومة الحمل (جهاز يعمل بالطاقة، على سبيل المثال، وحدة تحكم دقيقة).

في نهاية هذه القصة أود أن أعرض بعض مقاطع الفيديو. الفيديو ليس لي، لقد وجدته على اليوتيوب. يظهر كيف يمكنك تشغيل مؤشر LED من مؤين مشحون بسعة 0.047 فهرنهايت. تبلغ قوة الأيونستور 5.5 فولت، لذلك إذا قررت تكرار التجربة، فقم بشحنه بـ 3 فولت، وإلا يمكنك حرق مؤشر LED عن طريق الخطأ .

بالمناسبة، اتضح أن لدي نفس الأيونيستور الموجود في غرفة التخزين الخاصة بي. هل لديك أيونستور ؟

إن الضجة التي أحاطت ببناء Elon Musk لـ "Battery Gigafactory" لإنتاج بطاريات الليثيوم أيون لم تهدأ بعد عندما ظهرت رسالة حول حدث يمكن أن يعدل بشكل كبير خطط "الملياردير الثوري".
هذا بيان صحفي حديث من الشركة. شركة صنفولت للطاقة.، والتي جنبا إلى جنب مع شركة اديسون للطاقةتمكنت من إنشاء أكبر مكثف فائق للجرافين في العالم بسعة 10 آلاف (!) فاراد.
هذا الرقم هائل للغاية لدرجة أنه يثير الشكوك بين الخبراء المحليين - في الهندسة الكهربائية حتى 20 ميكروفاراد (أي 0.02 مليفاراد) وهذا كثير. ولكن مما لا شك فيه أن مدير شركة سنفولت للطاقة هو بيل ريتشاردسون، الحاكم السابق لولاية نيو مكسيكو ووزير الطاقة الأمريكي الأسبق. بيل ريتشاردسون رجل معروف ومحترم: شغل منصب سفير الولايات المتحدة لدى الأمم المتحدة، وعمل لعدة سنوات في مركز كيسنجر وماكلارتي للأبحاث، وتم ترشيحه لجائزة نوبل لنجاحاته في تحرير الأمريكيين الذين أسرهم المسلحون. في مختلف "المناطق الساخنة" للسلام. وفي عام 2008، كان أحد مرشحي الحزب الديمقراطي لرئاسة الولايات المتحدة، لكنه خسر أمام باراك أوباما.

اليوم، تنمو شركة Sunvault بسرعة، حيث أنشأت مشروعًا مشتركًا مع شركة Edison Power Company يسمى Supersunvault، ولا يضم مجلس إدارة الشركة الجديدة العلماء فقط (أحد المديرين عالم كيمياء حيوية، والآخر عالم أورام مغامر)، ولكن أيضًا أيضًا أشخاص مشهورون يتمتعون بفطنة تجارية جيدة. ألاحظ أنه في الشهرين الأخيرين فقط قامت الشركة بزيادة سعة مكثفاتها الفائقة عشرة أضعاف - من ألف إلى 10000 فاراد، وتعد بزيادتها أكثر حتى تكون الطاقة المتراكمة في المكثف كافية لتشغيل منزل بأكمله، أي أن شركة Sunvault جاهزة للعمل بشكل مباشر كمنافس لـ Elon Musk، الذي يخطط لإنتاج بطاريات فائقة من نوع Powerwall بسعة حوالي 10 كيلووات في الساعة.

فوائد تكنولوجيا الجرافين ونهاية مصنع جيجا.

هنا نحتاج أن نتذكر الفرق الرئيسي بين المكثفات والبطاريات - إذا كانت الأولى تشحن وتفرغ بسرعة، ولكنها تتراكم القليل من الطاقة، فإن البطاريات - على العكس من ذلك. ملحوظة المزايا الرئيسية للمكثفات الفائقة الجرافينالخامس.

1. شحن سريع- يتم شحن المكثفات بمعدل 100-1000 مرة أسرع من البطاريات.

2. رخص: إذا كانت بطاريات الليثيوم أيون التقليدية تكلف حوالي 500 دولار لكل كيلووات ساعة من الطاقة المتراكمة، فإن المكثف الفائق يكلف 100 دولار فقط، وبحلول نهاية العام يعد المبدعون بخفض التكلفة إلى 40 دولارًا. ومن حيث تركيبه فهو كربون عادي - وهو أحد العناصر الكيميائية الأكثر شيوعًا على الأرض.

3. الاكتناز وكثافة الطاقة و. لا يذهل مكثف الجرافين الفائق الجديد فقط بقدرته الرائعة، التي تتجاوز العينات المعروفة بحوالي ألف مرة، ولكن أيضًا بصغر حجمه - فهو بحجم كتاب صغير، أي أنه أصغر بمائة مرة من مكثفات 1 فاراد المستخدمة حاليا.

4. السلامة والود البيئي. إنها أكثر أمانًا من البطاريات التي تسخن وتحتوي على مواد كيميائية خطيرة، بل وتنفجر أحيانًا، والجرافين نفسه مادة قابلة للتحلل، أي أنه في الشمس يتفكك ببساطة ولا يفسد البيئة. وهو غير نشط كيميائيا ولا يضر بالبيئة.

5. بساطة التكنولوجيا الجديدة لإنتاج الجرافين. الأراضي الشاسعة واستثمار رأس المال، وكتلة العمال، والمواد السامة والخطيرة المستخدمة في العملية التكنولوجية لبطاريات الليثيوم أيون - كل هذا يتناقض بشكل حاد مع البساطة المذهلة للتكنولوجيا الجديدة. والحقيقة هي أن الجرافين (أي أنحف فيلم كربون أحادي الذرة) يتم إنتاجه في Sunvault... باستخدام قرص مضغوط عادي يُسكب عليه جزء من معلق الجرافيت. ثم يتم إدخال القرص في محرك أقراص DVD عادي وحرقه بالليزر باستخدام برنامج خاص - وتكون طبقة الجرافين جاهزة! ويذكر أن هذا الاكتشاف تم بالصدفة - على يد الطالب ماهر القاضي الذي كان يعمل في معمل الكيميائي ريتشارد كانر. ثم قام بعد ذلك بحرق القرص باستخدام برنامج LightScribe لإنتاج طبقة من الجرافين.
علاوة على ذلك، وكما قال الرئيس التنفيذي لشركة Sunvault، غاري موناهان، في مؤتمر وول ستريت، فإن الشركة تعمل على ذلك يمكن إنتاج أجهزة تخزين طاقة الجرافين عن طريق الطباعة التقليدية على طابعة ثلاثية الأبعاد- وهذا سيجعل إنتاجهم ليس رخيصًا فحسب، بل عالميًا أيضًا. وبالاشتراك مع الألواح الشمسية غير المكلفة (انخفضت تكلفتها اليوم إلى 1.3 دولار لكل واط)، ستمنح مكثفات الجرافين الفائقة ملايين الأشخاص الفرصة للحصول على استقلال الطاقة عن طريق الانفصال التام عن شبكة الطاقة، والأكثر من ذلك - أن تصبح كهرباء خاصة بهم الموردين، ومن خلال تدمير الاحتكارات "الطبيعية".
وعليه فلا شك: الجرافين المكثفات الفائقة هي اختراق ثوري في مجال تخزين الطاقة و . وهذه أخبار سيئة بالنسبة لإيلون ماسك، إذ سيكلفه بناء مصنع في ولاية نيفادا حوالي 5 مليارات دولار، وهو ما سيكون من الصعب تعويضه حتى بدون وجود هؤلاء المنافسين. يبدو أنه على الرغم من أن بناء مصنع نيفادا قيد التنفيذ بالفعل ومن المرجح أن يكتمل، فمن غير المرجح أن تكتمل المصانع الثلاثة الأخرى التي خطط لها ماسك.

الوصول إلى السوق؟ ليس بالسرعة التي نرغب بها.

إن الطبيعة الثورية لهذه التكنولوجيا واضحة. شيء آخر غير واضح – متى سيصل إلى السوق؟ واليوم بالفعل، يبدو مشروع جيجا فاكتوري الضخم والمكلف الذي أنشأه إيلون ماسك وكأنه ديناصور الصناعة. ومع ذلك، مهما كانت التكنولوجيا الجديدة ثورية وضرورية وصديقة للبيئة، فهذا لا يعني أنها ستصل إلينا خلال عام أو عامين. إن عالم رأس المال لا يستطيع أن يتجنب الصدمات المالية، ولكنه نجح تماماً في تجنب الصدمات التكنولوجية. وفي مثل هذه الحالات، تدخل الاتفاقيات التي تتم خلف الكواليس بين كبار المستثمرين واللاعبين السياسيين حيز التنفيذ. ومن الجدير بالذكر أن شركة Sunvault هي شركة مقرها كندا، ويضم مجلس إدارتها أشخاصًا، على الرغم من أن لديهم علاقات واسعة مع النخبة السياسية في الولايات المتحدة، إلا أنهم لا يزالون ليسوا جزءًا من جوهرها النفطي، وهو أمر واضح إلى حد ما. ويبدو أن النضال ضده قد بدأ بالفعل.
ما هو الأكثر أهمية بالنسبة لنا هو الفرص التي توفرها تكنولوجيات الطاقة الناشئة: استقلال الطاقة للبلد وفي المستقبل لكل مواطن. وبطبيعة الحال، فإن المكثفات الفائقة للجرافين هي أكثر من مجرد تقنية انتقالية "هجينة"، فهي لا تسمح بالتوليد المباشر للطاقة، على عكس ذلك تقنيات الجاذبية المغناطيسيةوالتي تعد بتغيير النموذج العلمي نفسه ومظهر العالم كله بشكل كامل. وأخيرا هناك التقنيات المالية الثورية، والتي تعتبر في الواقع من المحرمات من قبل مافيا النفط العالمية. ورغم هذا فإن هذا يشكل تقدماً مثيراً للإعجاب، ومما يزيد من إثارة الاهتمام أنه يحدث في "مخبأ وحش البترودولار" ـ في الولايات المتحدة.
قبل ستة أشهر فقط كتبت عن نجاحات الإيطاليين في تكنولوجيا الاندماج البارد، ولكن خلال هذا الوقت تعلمنا عن تقنية LENR الرائعة للشركة الأمريكية SolarTrends، وعن اختراق شركة Gaya-Rosch الألمانية، والآن عن التكنولوجيا الحقيقية التكنولوجيا الثورية لأجهزة تخزين الجرافين. وحتى هذه القائمة القصيرة تظهر أن المشكلة لا تكمن في أن حكومتنا أو أي حكومة أخرى لا تملك القدرة على خفض الفواتير التي نتلقاها مقابل الغاز والكهرباء، ولا حتى في الحساب غير الشفاف للتعريفات.
أصل الشر جهل من يدفع الفواتير وعزوف من يصدرها عن تغيير أي شيء . الطاقة هي الكهرباء فقط بالنسبة للناس العاديين. في الواقع، طاقة الذات هي القوة.

أفاد المنشور العلمي Science عن التقدم التكنولوجي الذي حققه العلماء الأستراليون في مجال إنشاء المكثفات الفائقة.

تمكن موظفو جامعة موناش، الواقعة في ملبورن، من تغيير تكنولوجيا إنتاج المكثفات الفائقة المصنوعة من الجرافين بطريقة تجعل المنتجات الناتجة أكثر جاذبية تجاريًا من نظائرها الموجودة سابقًا.

لقد تحدث الخبراء منذ فترة طويلة عن الصفات السحرية للمكثفات الفائقة القائمة على الجرافين، وقد أثبتت الاختبارات المعملية أكثر من مرة بشكل مقنع حقيقة أنها أفضل من المكثفات التقليدية. مثل هذه المكثفات ذات البادئة "super" يتوقعها مبدعو الإلكترونيات الحديثة وشركات السيارات وحتى شركات تصنيع المصادر البديلة للكهرباء وما إلى ذلك.

إن دورة الحياة الطويلة للغاية، فضلاً عن قدرة المكثف الفائق على الشحن في أقصر فترة زمنية ممكنة، تسمح للمصممين باستخدامها لحل المشكلات المعقدة عند تصميم الأجهزة المختلفة. ولكن حتى ذلك الوقت، كانت المسيرة المنتصرة لمكثفات الجرافين محظورة بسبب طاقتها النوعية المنخفضة و... في المتوسط، كان لدى المؤين أو المكثف الفائق مؤشر طاقة محدد يتراوح بين 5-8 وات ساعة/كجم، مما جعل منتج الجرافين يعتمد على الحاجة إلى إعادة الشحن في كثير من الأحيان، على خلفية التفريغ السريع.

تمكن الموظفون الأستراليون في قسم أبحاث تصنيع المواد من ملبورن، بقيادة البروفيسور دان لي، من زيادة كثافة الطاقة النوعية لمكثف الجرافين بمقدار 12 مرة. الآن هذا الرقم للمكثف الجديد هو 60 واط*ساعة/كجم، وهذا بالفعل سبب للحديث عن ثورة تقنية في هذا المجال. تمكن المخترعون من التغلب على مشكلة التفريغ السريع لمكثف الجرافين الفائق، مما يضمن تفريغه الآن بشكل أبطأ حتى من البطارية القياسية.

ساعد الاكتشاف التكنولوجي العلماء على تحقيق مثل هذه النتيجة المثيرة للإعجاب: حيث أخذوا فيلمًا من هلام الجرافين متكيفًا وصنعوا منه قطبًا كهربائيًا صغيرًا جدًا. قام المخترعون بملء الفراغ بين صفائح الجرافين بالإلكتروليت السائل بحيث تكونت مسافة دون النانومترية بينهما. هذا المنحل بالكهرباء موجود أيضًا في المكثفات التقليدية، حيث يعمل كموصل للكهرباء. هنا لم يصبح موصلًا فحسب، بل أصبح أيضًا عائقًا أمام ملامسة صفائح الجرافين مع بعضها البعض. كانت هذه الخطوة هي التي مكنت من تحقيق كثافة أعلى للمكثف مع الحفاظ على البنية المسامية.

تم إنشاء القطب الكهربائي المدمج باستخدام تقنية مألوفة لدى الشركات المصنعة للورق التي نعرفها جميعًا. هذه الطريقة رخيصة جدًا وبسيطة، مما يسمح لنا بالتفاؤل بشأن إمكانية الإنتاج التجاري للمكثفات الفائقة الجديدة.

سارع الصحفيون إلى التأكيد للعالم أن البشرية تلقت حافزًا لتطوير أجهزة إلكترونية جديدة تمامًا. وعد المخترعون أنفسهم من خلال فم البروفيسور لي بمساعدة مكثف الجرافين الفائق بسرعة كبيرة على تغطية المسار من المختبر إلى المصنع.

شئنا أم أبينا، فإن عصر السيارات الكهربائية يقترب بثبات. وفي الوقت الحالي، هناك تقنية واحدة فقط تعيق اختراق واستيلاء السيارات الكهربائية على السوق، وتكنولوجيا تخزين الطاقة الكهربائية، وما إلى ذلك. وعلى الرغم من كل إنجازات العلماء في هذا الاتجاه، فإن معظم السيارات الكهربائية والهجينة تحتوي في تصميمها على بطاريات ليثيوم أيون، لها جوانبها الإيجابية والسلبية، ولا يمكنها تزويد السيارة بشحنة واحدة إلا لمسافة قصيرة، تكفي فقط لشحنها. السفر في حدود المدينة. تدرك جميع شركات صناعة السيارات الرائدة في العالم هذه المشكلة وتبحث عن طرق لزيادة كفاءة السيارات الكهربائية، مما سيزيد من نطاق القيادة بشحنة بطارية واحدة.

إحدى طرق تحسين كفاءة السيارات الكهربائية هي جمع وإعادة استخدام الطاقة التي تتحول إلى حرارة عندما تقوم السيارة بالفرملة وعندما تتحرك السيارة على أسطح الطرق غير المستوية. وقد تم بالفعل تطوير طرق لإعادة هذه الطاقة، ولكن كفاءة جمعها وإعادة استخدامها منخفضة للغاية بسبب انخفاض سرعة تشغيل البطاريات. عادةً ما يتم قياس أوقات الكبح بالثواني، وهي سرعة كبيرة جدًا بالنسبة للبطاريات التي تستغرق ساعات ليتم شحنها. لذلك، لتجميع الطاقة "السريعة"، هناك حاجة إلى أساليب وأجهزة تخزين أخرى، ومن المرجح أن يكون دورها هو المكثفات عالية السعة، ما يسمى بالمكثفات الفائقة.

ولسوء الحظ، فإن المكثفات الفائقة ليست جاهزة بعد للانطلاق في الطريق الكبير، على الرغم من قدرتها على الشحن والتفريغ بسرعة، إلا أن قدرتها لا تزال منخفضة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن موثوقية المكثفات الفائقة أيضًا تترك الكثير مما هو مرغوب فيه؛ حيث يتم تدمير المواد المستخدمة في أقطاب المكثفات الفائقة باستمرار نتيجة لدورات الشحن والتفريغ المتكررة. وهذا أمر غير مقبول بالنظر إلى حقيقة أنه طوال عمر السيارة الكهربائية، يجب أن يكون عدد دورات تشغيل المكثفات الفائقة عدة ملايين من المرات.

توصل سانثاكومار كانابان ومجموعة من زملائه من معهد العلوم والتكنولوجيا في غوانغجو بكوريا إلى حل للمشكلة المذكورة أعلاه، والتي يعتمد أساسها على واحدة من أكثر المواد المدهشة في عصرنا - الجرافين. قام باحثون كوريون بتطوير وتصنيع نماذج أولية لمكثفات فائقة عالية الكفاءة تعتمد على الجرافين، والتي لا تقل معلماتها السعوية عن تلك الخاصة ببطاريات الليثيوم أيون، ولكنها قادرة على تجميع شحنتها الكهربائية وإطلاقها بسرعة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، حتى النماذج الأولية لمكثفات الجرافين الفائقة يمكنها أن تصمد أمام عشرات الآلاف من دورات التشغيل دون أن تفقد خصائصها.
إن الحيلة لتحقيق مثل هذه النتائج المبهرة هي الحصول على شكل خاص من الجرافين، الذي يتمتع بمساحة سطحية فعالة ضخمة. وصنع الباحثون هذا النوع من الجرافين عن طريق خلط جزيئات أكسيد الجرافين مع الهيدرازين في الماء وسحقها كلها باستخدام الموجات فوق الصوتية. تم تعبئة مسحوق الجرافين الناتج في كريات على شكل قرص وتجفيفه عند درجة حرارة 140 درجة مئوية وضغط 300 كجم / سم لمدة خمس ساعات.

وتبين أن المادة الناتجة مسامية للغاية؛ حيث أن جرامًا واحدًا من مادة الجرافين هذه له مساحة فعالة تساوي مساحة ملعب كرة السلة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطبيعة المسامية لهذه المادة تسمح للسائل الإلكتروليتي الأيوني EBIMF 1 M بملء الحجم الكامل للمادة بالكامل، مما يؤدي إلى زيادة القدرة الكهربائية للمكثف الفائق.

وأظهرت قياسات خصائص المكثفات الفائقة التجريبية أن قدرتها الكهربائية تبلغ حوالي 150 فاراد لكل جرام، وكثافة تخزين الطاقة 64 واط لكل كيلوجرام، وكثافة التيار الكهربائي 5 أمبير لكل جرام. وجميع هذه الخصائص قابلة للمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون، التي تتراوح كثافة تخزين الطاقة فيها من 100 إلى 200 واط لكل كيلوغرام. لكن تتمتع هذه المكثفات الفائقة بميزة واحدة كبيرة: يمكنها الشحن الكامل أو إطلاق جميع الشحنات المخزنة لديها خلال 16 ثانية فقط. وهذه المرة هي أسرع وقت لتفريغ الشحنة حتى الآن.

هذه المجموعة الرائعة من الخصائص، بالإضافة إلى تكنولوجيا التصنيع البسيطة للمكثفات الفائقة للجرافين، قد تبرر ادعاء الباحثين، الذين كتبوا أن "أجهزة تخزين الطاقة ذات المكثفات الفائقة للجرافين أصبحت الآن جاهزة للإنتاج بكميات كبيرة ويمكن أن تظهر في الأجيال القادمة من السيارات الكهربائية. "

قام مجموعة من العلماء من جامعة رايس بتكييف طريقة طوروها لإنتاج الجرافين باستخدام الليزر لصنع أقطاب كهربائية ذات مكثفات فائقة.

منذ اكتشافه، تم اعتبار الجرافين، وهو شكل من أشكال الكربون الذي تكون شبكته البلورية سميكة أحادية الذرة، من بين أشياء أخرى، بديلاً لأقطاب الكربون المنشط المستخدمة في المكثفات الفائقة، والمكثفات ذات السعة العالية وتيارات التسرب المنخفضة. لكن الوقت والأبحاث أظهرت أن أقطاب الجرافين لا تعمل بشكل أفضل بكثير من أقطاب الكربون المنشط ذات المسام الدقيقة، مما تسبب في انخفاض الحماس وتقليص عدد من الدراسات.

مع ذلك، أقطاب الجرافينتتمتع ببعض المزايا التي لا يمكن إنكارها مقارنة بأقطاب الكربون المسامية.

المكثفات الفائقة الجرافينيمكن أن يعمل بترددات أعلى، كما أن مرونة الجرافين تجعل من الممكن إنشاء أجهزة تخزين طاقة رفيعة ومرنة للغاية تعتمد عليها، وهي مناسبة بشكل مثالي للاستخدام في الإلكترونيات المرنة والقابلة للارتداء.

دفعت الميزتان المذكورتان أعلاه للمكثفات الفائقة للجرافين إلى إجراء المزيد من الأبحاث من قبل مجموعة من العلماء من جامعة رايس. لقد قاموا بتكييف طريقة إنتاج الجرافين بمساعدة الليزر التي طوروها لصنع أقطاب كهربائية ذات مكثفات فائقة.

يقول جيمس تور، العالم الذي قاد فريق البحث: “إن ما حققناه يمكن مقارنته بأداء المكثفات الفائقة الدقيقة المتوفرة في سوق الإلكترونيات. ومن خلال طريقتنا، يمكننا إنتاج مكثفات فائقة بأي شكل مكاني. عندما نحتاج إلى وضع أقطاب الجرافين في مساحة صغيرة بما فيه الكفاية، فإننا ببساطة نطويها مثل ورقة.

لإنتاج أقطاب الجرافين، استخدم العلماء طريقة الليزر(الحرف المستحث بالليزر، LIG)، حيث يتم توجيه شعاع ليزر قوي نحو هدف مصنوع من مادة بوليمر غير مكلفة.

يتم اختيار معلمات ضوء الليزر بحيث يحرق جميع عناصر البوليمر باستثناء الكربون الذي يتكون على شكل فيلم جرافين مسامي. وقد تبين أن هذا الجرافين المسامي يتمتع بمساحة سطحية فعالة كبيرة بما فيه الكفاية، مما يجعله مادة مثالية للأقطاب الكهربائية ذات المكثفات الفائقة.

ما يجعل النتائج التي توصل إليها فريق جامعة رايس مقنعة للغاية هو سهولة إنتاج الجرافين المسامي.

"من السهل جدًا صنع أقطاب الجرافين. وهذا لا يتطلب غرفة نظيفة، وتستخدم العملية أشعة الليزر الصناعية التقليدية، التي تعمل بنجاح على أرضيات المصنع وحتى في الهواء الطلق،» كما يقول جيمس تور.

بالإضافة إلى سهولة الإنتاج، أظهرت المكثفات الفائقة للجرافين خصائص مثيرة للإعجاب للغاية. لقد صمدت أجهزة تخزين الطاقة هذه لآلاف دورات تفريغ الشحن دون فقدان القدرة الكهربائية. علاوة على ذلك، ظلت السعة الكهربائية لهذه المكثفات الفائقة دون تغيير تقريبًا بعد أن تم تشويه المكثف الفائق المرن 8 آلاف مرة على التوالي.

وقال جيمس تور: "لقد أثبتنا أن التكنولوجيا التي طورناها يمكن أن تنتج مكثفات فائقة رفيعة ومرنة يمكن أن تصبح مكونات للإلكترونيات المرنة أو مصادر طاقة للإلكترونيات القابلة للارتداء والتي يمكن دمجها مباشرة في الملابس أو العناصر اليومية".

يمكن للبيئة أن توفر كمية لا حصر لها من الطاقة بأشكال متنوعة، بما في ذلك الطاقة الكهرضغطية والحرارية والضوئية والاهتزازية، لكن الطاقة صغيرة جدًا وبعيدة عن ذروة الطلب لأجهزة إرسال الشبكات اللاسلكية مثل IEEE 802.15.4 (Zigbee) أو 802.11 (WLAN) أو GSM/GPRS. لتزويد المستشعر بالطاقة الكافية لكل دورة من القياسات ونقل البيانات، يجب تجميع الطاقة في مخزن مؤقت، وهو الأكثر ملاءمة لاستخدامه كمكثفات. يتم شحن أجهزة تخزين الطاقة هذه ببطء من مصدر منخفض الطاقة وتوفر طاقة عالية لفترة وجيزة عند الحاجة.

تحديد السعة المطلوبة للأيونستور

يتراوح جهد التشغيل النموذجي لعناصر المكثفات الفائقة من 2.3 إلى 2.8 فولت. ويتم تنفيذ الإستراتيجية المثالية لتخزين الطاقة المطلوبة للتطبيق بكفاءة وفعالية من حيث التكلفة عن طريق الحد من جهد الشحن إلى مستوى أقل قليلاً من الجهد المسموح به المكثف الفائق.

هناك طريقة بسيطة لتحديد السعة المطلوبة للمقاوم الفائق وهي حساب كمية الطاقة المطلوبة لتزويد الجهاز بقدرة كافية P خلال فترات الاستهلاك الأقصى، ومساواتها بالتعبير

C هي سعة الأيونستور (بالفاراد)،
V الأولي - الجهد الكهربي على الأيوني مباشرة قبل بداية فترة استهلاك الذروة،
V النهائي - الجهد على الأيونستور في نهاية هذه الفترة.

V الأولي - ESR أقوم بالتحميل

أنا أقوم بالتحميل - التحميل الحالي.

مع انخفاض جهد الحمل، يزداد تيار الحمل للحفاظ على مستوى الطاقة التصميمي. باستخدام الشكل 1 كدليل، يمكن للمصممين وصف تفريغ المكثف الفائق باستخدام التعبيرات التالية:

V SCAP - الجهد على الأيونستور.

من التعبيرات أعلاه تتبع معادلة الحمل الحالي:

ومن ثم يمكن بسهولة تصميم نموذج لتفريغ المكثف الفائق في برنامج Excel بناءً على الصيغ

هذا الحساب مهم للغاية، خاصة إذا كان منتج تيار الحمل وESR كبيرًا بدرجة كافية مقارنة بالجهد عبر المكثف الفائق في نهاية دورة التفريغ. في هذه الحالة، قد يظهر تقييم بسيط لتوازن الطاقة أن سعة المتفوق صغيرة جدًا، ومع انخفاض درجة حرارة التشغيل، سيصبح نقص السعة أكثر وضوحًا، لأنه في درجات الحرارة المنخفضة يصبح ESR مرتين إلى ثلاث مرات أكبر مما كانت عليه في درجة حرارة الغرفة.

يجب أيضًا أن نتذكر أن السعة و ESR للمكثف الفائق يتغيران بمرور الوقت بسبب الشيخوخة. تتناقص السعة تدريجيًا، وتزداد المقاومة الداخلية. يعتمد معدل الشيخوخة على الجهد عبر العنصر ودرجة الحرارة. يجب على المطورين أخذ ذلك في الاعتبار عند اختيار مكثف بهامش في كلا المعلمتين، بناءً على العمر التشغيلي المقدر للمستشعر.

شحن الأيونستور

بالنسبة لمصدر الطاقة، يمثل الأيونستور المفرغ حمولة ذات دائرة قصيرة. ولحسن الحظ، يمكن للعديد من أجهزة تجميع الطاقة، مثل الخلايا الكهروضوئية والمولدات الصغيرة، أن تعمل بمقاومة صفر، وبالتالي فهي قادرة على شحن المكثف الفائق من الصفر. إذا كان مصدر الطاقة عبارة عن محول بيزو أو كهروحراري، فيجب أن تكون الدائرة الدقيقة الموجودة بين المصدر والمؤين قادرة على تحمل حدوث ماس كهربائي عند الخرج.

أنشأت الصناعة مجموعة متنوعة من وحدات التحكم MPPT (أقصى تتبع لنقطة الطاقة) لضمان حصول أجهزة تجميع الطاقة على أقصى استفادة منها. لكن جميعها، في الواقع، عبارة عن محولات DC/DC متخصصة، مصممة لشحن البطاريات بجهد ثابت.

ومع ذلك، على عكس البطارية، فإن الأيونستور يتم شحنه بشكل أكثر كفاءة ليس عن طريق الجهد المستمر، ولكن عن طريق التيار، والحد الأقصى، أي. لكل من يستطيع فقط إعطاء المصدر. يوضح الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا لشاحن بسيط وفعال، يمكن تطبيقه في الحالات التي لا يتجاوز فيها جهد الدائرة المفتوحة للبطارية الشمسية الحدود المسموح بها للمكثف الفائق. يقوم الصمام الثنائي بحماية الأيونيستور من التفريغ عبر البطارية الشمسية ليلاً. إذا تجاوز جهد الدائرة المفتوحة لمصدر الطاقة جهد التشغيل للمكثف الفائق، فستكون هناك حاجة إلى منظم جهد التحويل لحمايته (الشكل 3). يعد منظم التحويل (المتوازي) أبسط وأرخص طريقة لحماية الأيونستور من التيار الزائد. بمجرد شحن المكثف الفائق، تصبح طاقة المصدر غير ضرورية ويقوم المنظم ببساطة بتبديدها على شكل حرارة.

يشبه جهاز تجميع الطاقة خرطومًا به مصدر مياه لا نهاية له يتم من خلاله ملء البرميل الذي يشبه الأيونستور. إذا لم تتم إزالة الخرطوم من البرميل بعد ملئه، فسيبدأ الماء ببساطة في التدفق. توضح هذه المقارنة اختلافًا أساسيًا آخر بين المكثف الفائق والبطارية، ذات سعة الطاقة المحدودة، والتي تتطلب تحكمًا دقيقًا في الشحن باستخدام منظم الجهد المتسلسل.

في الدائرة الموضحة في الشكل 2، في اللحظة الأولية يكون الجهد على الأيونستور 0 فولت، ونتيجة لذلك يتم قصر دائرة البطارية الشمسية. أثناء شحن الأيونستور، يتناقص التيار وفقًا لخاصية الجهد الحالي للخلية الكهروضوئية. يتم شحن الأيونستور دائمًا إلى أقصى مستوى ممكن، لأنه يأخذ أعلى تيار يستطيع المصدر توصيله. تستخدم الدائرة الموضحة في الشكل 3 دائرة كهربائية صغيرة تحتوي، بالإضافة إلى المقارنة، على مصدر جهد مرجعي. تعتبر الدائرة الدقيقة اقتصادية للغاية، لأنها تستهلك حوالي 3 ميكرو أمبير ولها استنزاف مفتوح عند الخرج، وهو ما يمثل انقطاعًا عند إيقاف تشغيل المنظم. تم اختيار صمام ثنائي شوتكي بسبب انخفاض الجهد الأمامي المنخفض عند التيارات المنخفضة. إذا كان التيار الأمامي لا يتجاوز 10 μA، فلن يتجاوز الجهد الموجود على الصمام الثنائي 0.1 فولت.

تعتبر المولدات الدقيقة مثالية للتطبيقات الصناعية، خاصة تلك مثل التحكم في اهتزاز الآلات الدوارة، والتي بحكم تعريفها سوف تهتز أثناء التشغيل. ويبين الشكل 4 خاصية الجهد الحالي للمولد الصغير، والتي تشبه إلى حد كبير تلك الخاصة بالخلية الكهروضوئية. يحتوي المولد الصغير على جسر ديود لا يسمح للمؤين بالتفريغ من خلال المولد، مما يجعل دائرة الشحن بسيطة للغاية (الشكل 5).

لقد أجبرنا جهد عدم التحميل البالغ 8.5 فولت على اختيار أيونات HZ202 ثنائية العنصر بجهد تشغيل قدره 5.5 فولت. ويحمي منظم التحويل الأيونستور من الجهد الزائد، وفي الوقت نفسه، يعمل كدائرة موازنة نشطة منخفضة التيار يضمن التوزيع المتساوي للتيارات بين العناصر. خاصة بالنسبة لشحن الأيونات في دوائر حصاد الطاقة، تنتج Linear Technology دوائر كهربائية دقيقة، LTC3108 وLTC3625، وTexas Instruments.

التسرب الحالي

تنتج بعض أجهزة تجميع الطاقة تيارًا في نطاق ميكرو أمبير، لذلك لا يمكن تجاهل تسرب المكثفات الفائقة. يوضح الشكل 6 أن المكثفات الفائقة يمكن أن تحتوي على تيارات تسرب أقل من 1 ميكرو أمبير، مما يسمح باستخدامها في دوائر حصاد الطاقة.

بعد شحن الأيونستور، يتناقص تيار التسرب تدريجيًا مع انتشار الأيونات في مسام قطب الكربون، ويميل إلى قيمة التوازن اعتمادًا على السعة والجهد والوقت. يتناسب تيار التسرب مع سعة الخلية وفي الحالة المستقرة يخضع للقاعدة العامة التي تنص على أنه في درجة حرارة الغرفة يكون 1 μA/F. لذا، من الشكل 6 نرى أن الأيونات التي تبلغ سعتها 150 ميلي فاراد بعد 160 ساعة لديها تيار تسرب يبلغ 0.2 و0.3 ميكرو أمبير. مع زيادة درجة الحرارة، يزيد تيار التسرب بشكل كبير. يتناقص الوقت اللازم لإنشاء حالة التوازن مع زيادة درجة الحرارة بسبب زيادة النشاط الأيوني. وبالتالي، فمن الواضح تمامًا أنه لكي تكون قادرًا على البدء في شحن الأيونات المفرغة تمامًا، يلزم وجود حد أدنى معين للتيار في النطاق من 5 إلى 50 ميكرو أمبير. عند اختيار مؤين لجهاز تجميع الطاقة، يجب ألا ينسى المطورون هذه المعلمة المهمة للغاية.

عناصر التوازن

إذا تجاوز الجهد في بعض الدوائر الجهد المسموح به لخلية المكثف، والذي يبلغ، على سبيل المثال، 5 أو 12 فولت، فيجب توصيل عدة عناصر في بطارية متسلسلة. في هذه الحالة، ستكون هناك حاجة إلى دائرة موازنة لخلايا الأيونستور، والتي بدونها ستختلف الفولتية على خلايا البطارية بسبب بعض الاختلاف في تيارات التسرب والطبيعة غير المتساوية لاعتمادها على الجهد. عند توصيلها على التوالي، يجب أن تكون تيارات التسرب للعناصر هي نفسها، حيث تميل الخلايا إلى إعادة توزيع الشحنات فيما بينها وفقًا لذلك. وفي هذه الحالة قد يتجاوز الجهد الكهربائي على بعضها الحدود المسموح بها. وسوف تتفاقم المشكلة بسبب الاختلافات في درجات الحرارة وعمر العناصر. يتم الحصول على أبسط نظام موازنة عن طريق توصيل المقاوم بالتوازي مع كل عنصر. اعتمادًا على تيار التسرب للمكثف الفائق، يمكن أن تتراوح المقاومة النموذجية لهذه المقاومة من 1 إلى 50 كيلو أوم. ومع ذلك، بالنسبة لمعظم أجهزة حصاد الطاقة، فإن التيار المتدفق عبر مقاومات الموازنة سيكون كبيرًا بشكل غير مقبول. تعتبر دائرة التوازن النشطة ذات التيار المنخفض الموضحة في الشكل 7 أكثر ملاءمة لمثل هذه التطبيقات.

لتشغيل مكبر الصوت التشغيلي الموضح في الرسم البياني مع المدخلات والمخرجات من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية، يلزم وجود تيار يبلغ حوالي 750 nA. يحد المقاوم R3 من تيار الخرج في حالة حدوث ماس كهربائي في إحدى الخلايا. وبعد 160 ساعة من موازنة المكثفات الفائقة HW207، تستهلك الدائرة بأكملها من 2 إلى 3 ميكرو أمبير.

خصائص درجة الحرارة

الميزة الأكثر أهمية للمكثفات الفائقة في تطبيقات حصاد الطاقة هي نطاق درجة حرارة التشغيل الواسع. على سبيل المثال، يمكن استخدام الأيونات مع محولات الاهتزاز عند درجات حرارة تحت الصفر أو مع الألواح الشمسية في يوم شتوي صافٍ. عادةً، يزيد معدل سرعة الترسيب (ESR) للمكثفات الفائقة عند درجة حرارة -30 درجة مئوية مرتين إلى ثلاث مرات مقارنة بمعدل سرعة الترسيب (ESR) في درجة حرارة الغرفة. وللمقارنة، يمكن أن تصل المقاومة الداخلية للبطاريات في درجات الحرارة هذه إلى عدة كيلو أوم.

توصيل بطاريات إضافية

في بعض التطبيقات، يمكن أن تكون المكثفات الفائقة بمثابة بديل للبطاريات، وفي حالات أخرى - كوسيلة لدعمها. في بعض الحالات، لن يتمكن المكثف الفائق من تخزين ما يكفي من الطاقة وسيلزم استخدام البطارية. على سبيل المثال، إذا كان مصدر الطاقة هو الشمس، فستكون هناك حاجة إلى جهاز تخزين لا يمكنه فقط تزويد جهاز الإرسال بالطاقة القصوى، ولكن أيضًا يحافظ على تشغيل النظام بأكمله لفترة طويلة من الوقت أثناء الليل. إذا تجاوزت ذروة الطاقة المطلوبة الحد الأقصى من الطاقة التي يمكن للبطارية توفيرها، كما هو الحال، على سبيل المثال، في مكالمات GSM أو أجهزة الإرسال منخفضة الطاقة التي تعمل في درجات حرارة منخفضة، يمكن لمكثف فائق مشحون بالبطارية أن يحل المشكلة. وهذا لا يحل مشكلة توازن الطاقة فحسب، بل يزيد أيضًا من عمر البطارية، والتي لن تكون درجة تفريغها عميقة أبدًا. يتم تخزين الطاقة في الأيونات بسبب التراكم الفيزيائي للشحنات، على عكس البطاريات، التي يعتمد تشغيلها على التفاعلات الكيميائية، وبالتالي فإن عدد دورات إعادة شحن الأيونات غير محدود عمليا.

عند استخدام أيونستور مشحون بالبطارية كمصدر للطاقة النبضية، من المهم جدًا إجراء تقييم صحيح ومراعاة حجم الفواصل الزمنية بين قمم الاستهلاك الحالي. إذا كانت الفواصل الزمنية قصيرة نسبيًا، فمن الأكثر فعالية من حيث الطاقة إبقاء المكثف الفائق في وضع الشحن الثابت. إذا كان تردد القمم أقل تواترا، فمن المستحسن شحن المكثف مباشرة قبل بدء التفريغ. يعتمد هذا الفاصل الزمني على عدد من العوامل، بما في ذلك مقدار الشحنة المتراكمة بواسطة المكثف قبل أن يصل مستوى تيار التسرب إلى مستوى التوازن، وخاصية التفريغ الذاتي، واستهلاك الذروة للدائرة. لكن كل هذا لا يكون منطقيًا إلا إذا كانت لحظات الحد الأقصى للاستهلاك الحالي معروفة مسبقًا. إذا حدثت نتيجة لأحداث غير متوقعة، مثل فشل البطارية أو التأثير الخارجي، فمن المستحيل تحسين طريقة استخدام الأيونستور.