Süper Kapasitör

Süper Kapasitör, büyük miktarda elektrik yükü depolama yeteneğine sahip elektrik enerjisi depolama cihazlarıdır.

Enerjiyi ısı şeklinde yayan direncin aksine ideal kapasitör enerjisini kaybetmez. Bir kondansatörün en basit biçiminin, hava, mika, kağıt, seramik vb. gibi bir yalıtkan malzeme ile ayrılmış ve dielektrik olarak adlandırılan ve “d” mesafesinden geçen iki paralel iletken metal plaka olduğunu gördük.

Gerilimine bağlı olarak bir kondansatör ile ilgili toplanan şarj miktarı ile depo şarj etme kabiliyetleri neticesinde Kondansatörler enerji deposu, V , plakaları boyunca uygulanır ve daha büyük bir gerilim, daha fazla yük olarak kondansatör tarafından kaydedilir: Q, ∞ V .

Ayrıca, bir kapasitör, kapasitans olarak adlandırılan, kapasitör kapasitans değerine bağlı olarak yük miktarı ile bir elektrik yükünü depolama kapasitesini veya kapasitesini temsil eden kapasitans sembolü C’ye sahip bir orantı sabitine sahiptir : Q ∞ C .

O zaman yük, Q , voltaj V ve kapasitans C arasında bir ilişki olduğunu görebiliriz ve kapasitans ne kadar büyük olursa, aynı voltaj için bir kapasitörde depolanan yük miktarı o kadar yüksek olur ve bu ilişkiyi tanımlayabiliriz:

Kondansatörde Şarj

Burada: Q  (Şarj, Coulomb cinsinden) =  C  (Kapasitans, Farad cinsinden) çarpı  V  (Gerilim, Volt cinsinden)

Kapasitans birimi Coulomb/volt’tur ve Farad ( F ) olarak da adlandırılır [M. Faraday’den sonra adlandırılır] ve bir farad, potansiyel bir fark oluşturmak için 1 coulomb’luk bir yük gerektiren bir kapasitörün kapasitansı olarak tanımlanır.

Ancak geleneksel bir farad kapasitör, çoğu pratik elektronik uygulama için çok büyük olacaktır, bu nedenle mikrofarad ( μF ), nanofarad ( nF ) ve picofarad ( pF ) gibi çok daha küçük birimler yaygın olarak şu durumlarda kullanılır:

• Mikrofarad (μF)    1μF = 1/1.000.000 = 0.00001 = 10 ^-6 F
• Nanofarad (nF) 1nF    = 1/1.000.000.000 = 0.000000001 = 10 ^-9 F
• Picofarad (pF)    1pF = 1/1.000.000.000.000 = 0.000000000001 = 10 ^-12 F

Bununla birlikte, birkaç mili-faraddan (mF) on fara kadar kapasitans değerleri sağlayabilen ve aralarında çok daha fazla elektrik enerjisinin depolanmasına izin veren , Ultrakapasitör veya Süper kapasitör adı verilen başka bir kapasitör türü vardır.

Kapasitans ve Şarj hakkındaki öğreticimizde, bir kapasitörde depolanan enerjinin denklemle verildiğini gördük:

Burada: E , elektrik alanında joule cinsinden depolanan enerjidir, V , plakalar arasındaki potansiyel farktır ve C , kapasitörün farad cinsinden kapasitansıdır ve şu şekilde tanımlanır:

Burada: ε , malzemenin plakalar arasındaki geçirgenliğidir, A , plakaların alanıdır ve d , plakaların ayrılmasıdır.

Süper kapasitör, elektrot adı verilen büyük bir iletken plakaya, yüzey alanına ( A ) ve aralarında çok küçük bir mesafeye ( d ) sahip olacak şekilde yapılmış başka bir kapasitör türüdür. Teflon, Polietilen, Kağıt vb. gibi katı ve kuru bir dielektrik malzeme kullanan geleneksel kapasitörlerin aksine, süper kapasitör, elektrotları arasında sıvı veya ıslak elektrolit kullanarak onu elektrolitik kapasitöre benzer bir elektrokimyasal cihaz haline getirir.

Birsüper kapasitör bir tür elektrokimyasal cihaz olmasına rağmen, elektrik enerjisinin depolanmasında hiçbir kimyasal reaksiyon söz konusu değildir. Bu, ultra-süper kapasitörün, gösterildiği gibi iki iletken elektrotu arasında bir elektrik alanı şeklinde elektrik enerjisini depolayan bir elektrostatik cihaz olarak etkin bir şekilde kaldığı anlamına gelir.

Süper Kapasitör Yapısı

Çift taraflı kaplanmış elektrotlar, aktif iletken karbon, karbon nanotüpler veya karbon jeller formundaki grafit karbondan yapılır. Ayırıcı adı verilen gözenekli bir kağıt zar, elektrotları ayrı tutar, ancak daha büyük elektronları bloke ederken pozitif iyonun geçmesine izin verir. Hem kağıt ayırıcı hem de karbon elektrotlar, ultrakapasitörlerin lehim tırnaklarına elektrik bağlantısı yapan akım toplayıcı olarak işlev görmesi için ikisi arasında kullanılan bir alüminyum folyo ile sıvı elektrolit ile emprenye edilir.

Karbon elektrotların ve ayırıcının çift katmanlı yapısı çok ince olabilir, ancak bunların etkin yüzey alanı, bir araya sarıldığında binlerce metre kareye ulaşır. Daha sonra, bir süper kapasitörün kapasitansını arttırmak için, kondansatörlerin fiziksel boyutunu arttırmadan temas yüzey alanını, A’yı (m ² cinsinden ) artırmamız veya mevcut kapasiteyi arttırmak için özel bir elektrolit kullanmamız gerektiği açıktır.

Bununla birlikte, bu küçük boyuttaki sorun, ultra-kapasitör hücresinin anma gerilimi esas olarak elektrolitin bozunma gerilimi tarafından belirlendiğinden, kapasitör üzerindeki gerilimin çok düşük olabilmesidir. Daha sonra tipik bir kapasitör hücresi, depolayabileceği elektrik enerjisi miktarını sınırlayabilen, kullanılan elektrolite bağlı olarak 1 ila 3 volt arasında bir çalışma voltajına sahiptir.

Makul bir voltajda şarjı depolamak için ultrakapasitörlerin seri olarak bağlanması gerekir. Elektrolitik ve elektrostatik kapasitörlerin aksine, ultra kapasitörler, düşük terminal voltajı ile karakterize edilir. Orada anma terminal voltajını onlarca volta çıkarmak için, gösterildiği gibi daha yüksek kapasitans değerleri elde etmek için ultrakapasitör hücreleri seri veya paralel olarak bağlanmalıdır.

Bir Ultrakapasitör Değerini Artırmak

Burada: V_CELL bir hücrenin voltajıdır ve C_CELL bir hücrenin kapasitansıdır.

Her bir kapasitör hücresinin voltajı yaklaşık 3,0 volt olduğundan, daha fazla kapasitör hücresinin seri olarak birbirine bağlanması voltajı artıracaktır. Daha fazla kapasitör hücresini paralel bağlarken kapasitansını artıracaktır. Daha sonra bir ultrakapasitör bankasının toplam voltajını ve toplam kapasitansını şu şekilde tanımlayabiliriz:

Burada: M sütun sayısı ve N satır sayısıdır. Piller gibi, ultrakapasitör ve süper kapasitörlerin, kapasitör gövdesi üzerinde işaretli pozitif terminal ile tanımlanmış bir polariteye sahip olduğuna da dikkat edin.

Süper Kapasitör Soru Örneği 1

Bir elektronik devre için enerji depolama yedekleme cihazı olarak 5.5 volt, 1.5 farad süper kapasitör gereklidir. Süper kapasitör ayrı ayrı 2.75v, 0.5F hücrelerden yapılacaksa, gerekli hücre sayısını ve dizinin düzenini hesaplayın.

Bu nedenle dizide, gerekli 5.5v’yi sağlamak için her biri seri olarak bağlanmış 2,75v’lik iki kapasitör hücresi olacaktır.

Daha sonra dizi, altılı iki sıradan oluşan toplam altı ayrı sütuna sahip olacak ve böylece gösterildiği gibi 6 x 2 dizili bir ultrakapasitör oluşturacaktır.

6×2 Ultrakapasitör Dizisi

Ultrakapasitör Enerjisi

Tüm kapasitörlerde olduğu gibi, bir ultrakapasitör de bir enerji depolama cihazıdır. Elektrik enerjisi, levhaları arasındaki elektrik alanında yük olarak depolanır ve bu depolanan enerji sonucunda iki levha arasında bir potansiyel farkı yani voltaj oluşur. Şarj sırasında (bağlı beslemeden ultrakapasitörden geçen akım), elektrik enerjisi plakaları arasında depolanır.

Ultrakapasitör şarj edildiğinde, kaynaktan akım akışı durur ve ultrakapasitörlerin terminal voltajı, kaynağın voltajına eşittir. Sonuç olarak, şarjlı bir ultrakapasitör, bu elektrik enerjisini voltaj kaynağından çıkarıldığında bile bir enerji depolama cihazı olarak işlev görene kadar depolayacaktır.

Boşalırken (akım dışarı akar), ultrakapasitör, bağlı yükü beslemek için bu depolanan enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. O zaman bir ultrakapasitör kendisi herhangi bir enerji tüketmez, bunun yerine ultrakapasitörde depolanan enerji miktarı kapasitörün kapasitans değeriyle orantılı olarak elektrik enerjisini depolar ve serbest bırakır.

Daha önce belirtildiği gibi, depolanan enerji miktarı, C kapasitansı ve terminalleri boyunca V geriliminin karesi ile orantılıdır .

Burada: E , joule cinsinden depolanan enerjidir. Ardından yukarıdaki ultrakapasitör örneğimiz için dizi tarafından depolanan enerji miktarı şu şekilde verilir:

O zaman ultrakapasitörümüz tarafından depolanabilecek maksimum enerji miktarı, başlangıçta 5.5 voltluk şarj kaynağı tarafından sağlanan 22,7 jul’dür. Bu depolanan enerji, elektrolit dielektrikte şarj olarak mevcut kalır ve bir yüke bağlandığında, ultrakapasitörlerin 22.69 jul’luk enerjinin tamamı bir elektrik akımı olarak sağlanır. Açıktır ki, ultrakapasitör tamamen boşaldığında depolanan enerji sıfırdır.

O zaman ideal bir ultrakapasitör enerjiyi tüketmez veya dağıtmaz, bunun yerine elektrolit alanında enerji depolamak için harici bir şarj devresinden güç alır ve daha sonra bir yüke güç sağlarken bu depolanan enerjiyi geri verir.

Yukarıdaki basit örneğimizde, ultrakapasitör tarafından depolanan enerji yaklaşık 23 joule idi, ancak büyük kapasitans değerleri ve daha yüksek voltaj oranları ile ultrakapasitörlerin enerji yoğunluğu çok büyük olabilir ve bu onları enerji depolama cihazları olarak ideal hale getirir.

Aslında, binlerce farad ve yüzlerce volta kadar derecelendirmeye sahip ultrakapasitörler, artık hibrit elektrikli araçlarda (Formula 1 dahil) rejeneratif frenleme sistemleri için katı hal enerji depolama cihazları olarak kullanılmaktadır, çünkü bunlar frenleme sırasında hızlı bir şekilde enerji verebilir ve alabilirler. Ultra ve süper kapasitörler, kurşun asit pillerin yerini almak için yenilenebilir enerji sistemlerinde de kullanılmaktadır.

Özetle

Bir süper kapasitör, genellikle yükü elektrostatik olarak depolayan bir elektrolit çözeltisine daldırılmış aktif karbondan oluşan iki gözenekli elektrottan oluşan bir elektrokimyasal cihazdır. Bu düzenleme, seri olarak bağlanmış her bir karbon elektrotta bir tane olmak üzere iki kapasitör etkili bir şekilde oluşturur.

Ultrakapasitör, hepsi çok küçük bir fiziksel boyutta yüzlerce faradlık kapasitanslarla mevcuttur ve pillerden çok daha yüksek güç yoğunluğu elde edebilir. Bununla birlikte, bir ultrakapasitörün voltaj derecesi genellikle yaklaşık 3 volttan azdır, bu nedenle herhangi bir yararlı voltaj sağlamak için birkaç kondansatörün seri ve paralel kombinasyonlarda bağlanması gerekir.

Ultrakapasitörler, pile benzer enerji depolama cihazları olarak kullanılabilir ve aslında bir ultrakapasitör pil olarak sınıflandırılır. Ancak bir pilin aksine, ultrakapasitörler daha kısa sürede çok daha yüksek güç yoğunluklarına ulaşabilir. Ayrıca, ultrakapasitörler, yüksek voltajları hızlı bir şekilde deşarj etme ve daha sonra bir sonraki çevrim için bir kez daha yeniden şarj edilme yetenekleri nedeniyle, artık birçok hibrit benzinli araçta ve yakıt hücreli elektrikli araçlarda kullanılmaktadır. Konvansiyonel yakıt hücreleri ve otomotiv aküleri ile birlikte ultrakapasitörler kullanılarak, yük koşullarındaki en yüksek güç talepleri ve geçici değişimler çok daha etkin bir şekilde kontrol edilebilir.