ابرخازن چیست؟

آیا تابه‌حال چیزی از ابرخازن‌ها در وسایل نقلیه هیبرید، توربین‌ها، لیزرها و صنایع دیگر شنیده‌اید؟ اگر دوست دارید مفهوم، نحوه عملکرد، کاربردها و تفاوت آن‌ها را با باتری‌ها و خازن‌های معمولی بدانید، با ادامه مقاله همراه ما باشید.
در این مقاله قصد داریم شما را با ابرخازن و تفاوت آن با خازن‌­های معمولی و باتری‌­ها آشنا کنیم. در ادامه نیز به کاربردهای آن‌­ها اشاره خواهیم کرد.

ابرخازن‌ها که با نام­‌های خازن‌های دولایه (Double Layer Capacitor) و Ultra-Capacitor نیز شناخته می‌شوند با خازن‌های معمولی تفاوت دارند و این تفاوت عمدتاً به خاطر ظرفیت بالای آن‌هاست. خازن‌ها بر خلاف واکنش‌های الکتروشیمیایی، بار الکتریکی و درنتیجه انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کنند و با اعمال ولتاژ به صفحات مثبت و منفی آن­ها شارژ می‌شوند، مانند زمانی‌که با راه رفتن بر روی فرش تجمع بار الکتریکی ایجاد می‌شود که با لمس یک شیء توسط انگشتان این بار تخلیه می‌شود.

فاراد واحد ظرفیت است که از نام فیزیکدان انگلیسی، «مایکل فارادی» (1791–1867) گرفته شده است. یک فاراد یعنی با اعمال یک ولت یک کولن بار الکتریکی ذخیره می‌شود. یک میکروفاراد یک میلیون بار کوچک‌تر از یک فاراد است، و یک پیکوفاراد نیز یک میلیون بار از یک میکروفاراد کوچک‌تر است.

به طور کلی سه نوع خازن وجود دارد که اصلی‌ترین آن‌ها خازن الکترواستاتیک با جدا‌کننده خشک است. این نوع خازن ظرفیت بسیار کمی دارد و معمولاً برای تنظیم فرکانس‌های رادیویی و فیلترینگ استفاده می‌شود. رنج ظرفیتی این خازن‌ها از چند پیکو‌فاراد (PF)  تا چند میکرو‌فاراد (μF) متغیر است.

خازن‌های الکترولیتی دارای ظرفیتی بیشتر از خازن‌های الکترواستاتیکی و معمولاً در رنج میکرو‌فاراد هستند که مقدار آن یک میلیون بار بزرگ‌تر از پیکو فاراد است. این خازن‌ها دارای یک جدا‌کننده مرطوب هستند و کاربرد آن‌ها در فیلترینگ، بافر کردن و کوپلینگ سیگنال‌هاست. مشابه یک باتری، خازن­‌های الکترولیتی دارای قطب مثبت و منفی هستند که هنگام استفاده باید رعایت شوند.

سومین نوع خازن­‌ها، ابر‌خازن نام دارد و ظرفیت آن‌ها در رنج فاراد است که هزاران بار از خازن‌های الکترولیتی بزرگ‌تر است. ابرخازن‌ها برای ذخیره انرژی تحت چرخه‌های شارژ و دشارژ متوالی، در زمان کوتاه و جریان‌های بالا استفاده می­شوند.

مهندسان شرکت General Electric برای اولین بار در سال 1957 اولین نسخه از ابرخازن را آزمایش کردند، ولی کاربرد تجاری آن ناشناخته بود. در سال 1966 شرکت Standard Oil  هنگام کار بر روی طرح‌های آزمایشی پیل سوختنی (fuel cell) به صورت اتفاقی اثر خازن‌های دولایه را کشف کرد. ویژگی دو لایه بودن قابلیت ذخیره انرژی را تا حد زیادی بهبود بخشید. اما این شرکت اختراعش را تجاری نکرد و مجوز آن را به NEC واگذار کرد، به طوری که در سال 1987 تکنولوژی آن را با عنوان “ابرخازن” برای گرفتن بکاپ از حافظه کامپیوتر به بازار عرضه نمود. بعد از آن در دهه 1990 با پیشرفت­‌هایی در روش‌­های ساخت و مواد، علاوه بر بهبود عملکرد ابرخازن‌­ها، هزینه‌­ها نیز کاهش یافت.

الکترودهای ابرخازن‌ها با لایه‌­ای از کربن پوشانده شده­‌اند و این صفحات برخلاف خازن‌­های معمولی، درون یک ماده الکترولیتی قرار دارند که مشابه فناوری باتری است. خازن‌های دولایه الکتروشیمیایی پایه (EDLC) به عملکرد الکترواستاتیک بستگی دارند؛ درحالی‌که خازن‌های دولایه الکتروشیمیایی نامتقارن (AEDLC) از الکترودهای شبیه باتری برای بدست آوردن انرژی بیشتر استفاده می‌کنند، اما سبب کاهش طول عمر باتری می­شود. الکترود‌های گرافن نوید‌بخش بهبود ابرخازن‌ها و باتری‌ها هستند ولی برای چنین رشدی 15 سال دیگر زمان لازم است.

انواع مختلفی از الکترود‌ها آزمایش شده‌اند و امروزه رایج‌ترین سیستم‌ها با استفاده از خازن دولایه الکتروشیمیایی بر پایه کربن ساخته می‌شوند که دارای الکترولیت ارگانیک بوده و ساخت آن آسان است.

همه خازن‌ها دارای محدودیت ولتاژ هستند. خازن‌های الکترواستاتیک برای تحمل ولتاژ‌های بالا ساخته می‌شوند در حالی‌که ولتاژ کاری ابرخازن‌ها بین 2.5 تا 2.7 ولت محدود می‌شود. البته در ولتاژ 2.8 ولت و بالاتر نیز قابل استفاده هستند ولی عمر مفید آن‌ها کاهش می‌یابد. برای بدست آوردن ولتاژ‌های بالاتر، چندین ابر‌خازن به صورت سری به یکدیگر متصل می‌شوند. با این حال اتصال سری خازن‌ها باعث کاهش ظرفیت کل و افزایش مقاومت داخلی آن­‌ها می‌شود. در صورت اتصال بیش از سه خازن، به تنظیم ولتاژ نیاز است تا از اعمال اضافه ولتاژ به هر سلول جلوگیری شود. لازم به ذکر است که باتری‌های لیتیوم-یون (Li-ion) دارای چنین مدار محافظی هستند.

انرژی یک ابرخازن بین 1Wh/kg تا 30Wh/kg است که 10 تا 50 برابر کمتر از باتری‌های لیتیوم‌یون است. یکی دیگر از معایب این نوع خازن‌­ها منحنی دشارژ است. درحالی که باتری‌های الکتروشیمیایی ولتاژ ثابتی را به ازای توان قابل ­استفاده فراهم می­‌کنند، ولتاژ ابرخازن­‌ها به صورت خطی کاهش می­‌یابد که منجر به کاهش طیف توان قابل استفاده می‌­شود. مشخصه‌های ولتاژ و جریان در فرآیند شارژ و دشارژ ابرخازن در شکل‌های 1 و 2 نمایش داده شده‌­است. در هنگام شارژ، ولتاژ به صورت خطی افزایش می‌یابد و هنگام شارژ کامل خازن، جریان بدون نیاز به مدار تشخیص کامل شدن شارژ، روند کاهشی خواهد داشت.

هنگام شارژ با جریان ثابت، ولتاژ به صورت خطی افزایش می‌یابد و هنگام شارژ کامل خازن، جریان کاهش می‌یابد.

هنگام دشارژ، ولتاژ به صورت خطی کاهش می‌یابد. یک مبدل DC به DC هنگام افت ولتاژ با کشیدن جریان بیشتر، سطح توان را حفظ می‌کند.

شارژ یک ابرخازن 1 تا 10 ثانیه طول می‌­کشد. مشخصه‌های شارژ این نوع خازن مانند یک باتری الکتروشیمیایی است و جریان شارژ تا حد زیادی بخاطر قابلیت کنترل جریان شارژر محدود می‌شود. شارژ اولیه به سرعت انجام می‌گیرد و سپس فرآیند شارژ با سرعت کم و در مدت زمان بیشتری (Topping charge) ادامه می‌­یابد. هنگام شارژ یک ابرخازن خالی، باید تمهیداتی برای محدود کردن جریان هجومی (inrush current) – جریان هجومی حداکثر جریانی است که یک مدار الکتریکی در لحظه وصل شدن متحمل می شود. – مد‌نظر قرار داد، زیرا اگر مقدار جریان هجومی بسیار زیاد باشد به برخی از اجزای مدار آسیب می‌رسد. ابرخازن­‌ها در معرض شارژ بیش از حد نیستند و نیازی به تشخیص کامل شدن شارژ ندارند، زیرا جریان به سادگی با شارژ کامل خازن قطع می‌­شود. در جدول 3 مقایسه ابرخازن و خازن لیتیوم یون معمولی بیان شده‌است.

عملکرد	ابرخازن	خازن لیتیوم‌یون
مدت زمان شارژ	1–10 ثانیه	10–60 دقیقه
طول عمر	1 میلیون یا 30000 ساعت	500 و بالاتر
ولتاژ سلول	2.3 تا 2.75 ولت	3.6 ولت
انرژی مخصوص	(Wh/kg) 5	(Wh/kg) 120–240
توان مخصوص	تا (Wh/kg) 10,000	(Wh/kg) 1,000–3,000
هزینه به ازای هر کیلو‌وات ساعت	$10,000	$250–$1,000
عمر سرویس	10 تا 15 سال	5 تا 10 سال
دمای شارژ	(40– تا 149°F) 65°C تا 40–	(32° تا 113°F) 45°C تا 0
دمای دشارژ	(40– تا 149°F) 65°C تا 40–	(4– تا 140°F) 60°C تا 20–

ابرخازن می‌تواند به دفعات نامحدود شارژ و دشارژ شود. بر خلاف باتری‌های الکتروشیمیایی که طول عمر (cycle life) مشخصی دارند، ابرخازن­‌ها استهلاک کمتر و طول عمر بیشتری دارند. در شرایط عادی، ظرفیت یک ابرخازن طی 10 سال از 100 درصد به 80 درصد ظرفیت اولیه کاهش می‌یابد. اما اعمال ولتاژ بیش از حد، باعث کوتاه شدن عمر آن‌­ها می‌شود. دیگر مزیتی که ابرخازن‌ها نسبت به باتری‌ها دارند عملکرد مناسب آن‌ها در هوای گرم و سرد است.

خود دشارژی (self-discharge) در ابرخازن‌ها به طور قابل ملاحظه­‌ای بیشتر از خازن‌های الکترواستاتیک و تا حدودی بیشتر از باتری‌های الکتروشیمیایی است؛ این امر بخاطر الکترولیت ارگانیک به کار رفته در ساخت آن است. یک ابرخازن طی 30 تا 40 روز از 100 درصد به 50 درصد دشارژ می‌شود که در مقایسه با خود دشارژی باتری‌های لیتیوم و سرب حدود 5 درصد در ماه است.

مقایسه ابرخازن و باتری

در این قسمت به بررسی چندین مورد از تفاوت‌های میان باتری و ابرخازن خواهیم پرداخت.

ماده شیمیایی یک باتری ولتاژ کاری آن را تعیین می‌کند؛ فرآیندهای شارژ و دشارژ واکنش‌هایی الکتروشیمیایی هستند. در مقابل، خازن یک قطعه غیر الکتروشیمیایی است و نوع ماده دی‌الکتریکی که به عنوان جداکننده بین صفحات آن قرار گرفته است حداکثر ولتاژ مجاز را تعیین می‌کند. علاوه­‌براین، نوع ماده دی­‌الکتریک در تعیین ظرفیت خازن نیز نقش دارد و ابرخازن‌­ها به خاطر وجود ماده­‌ی الکترولیت در ساختار خود، ظرفیت بیشتری دارند.

با توجه به این‌که ابرخازن‌­ها غیر شیمیایی هستند، تا زمانی‌که دی‌الکتریک از بین برود، ولتاژ می‌­تواند افزایش پیدا کند. این اغلب به شکل یک اتصال کوتاه است و باید از افزایش ولتاژ بیش از مقدار مشخص شده خودداری نمود.

کاربرد‌ ابرخازن‌­ها

در اغلب اوقات درک صحیحی از ابرخازن وجود ندارد، آن‌­ها جایگزین باتری برای ذخیره انرژی در طولانی مدت نیستند. برای مثال اگر زمان شارژ و دشارژ بیشتر از 60  ثانیه باشد از باتری استفاده می‌­شود و برای زمان کوتاه‌تر کاربرد ابرخازن اقتصادی و به صرفه‌تر است.

زمانی که برای تأمین برق مورد نیاز در یک مدت زمان کوتاه به شارژ سریع خازن نیاز باشد، ابرخازن‌­ها گزینه‌ی مناسبی است؛ در حالی‌که برای تأمین برق در بلند مدت باتری‌ها انتخاب صحیحی هستند. ترکیب این دو در یک باتری هایبرید، هر دو نیاز را برآورده می‌کند، فشار روی باتری را کاهش می‌دهد و سبب افزایش طول عمر باتری می‌شود. این نوع باتری‌ها امروزه در خانواده باتری‌های سرب اسید قرار دارند.

ابرخازن‌ها در وقفه‌هایی که از چند ثانیه تا چند دقیقه برق قطع می‌شود، بسیار موثر هستند و سریعاً شارژ می‌شوند. فلایویل‌­ها (flywheel) عملکرد مشابهی دارند، در واقع اجرام دواری هستند که از آن­ها برای ذخیره انرژی استفاده می‌­شود. یکی از کاربردهایی که در آن ابرخازن‌ها با فلایویل‌­ها  رقابت می‌کنند، آزمایش Long Island Rail Road (LIRR)  در نیویورک است. LIRR یکی از شلوغ‌ترین راه آهن‌های آمریکای شمالی است.

 برای جلوگیری از افت ولتاژ هنگام شتاب گرفتن قطار و کاهش پیک توان مصرفی، یک بانک ابرخازن 2 مگاوات در نیویورک در برابر فلایویل­‌هایی که 2.5 مگاوات توان تولید می‌کنند، آزمایش می‌شود. هر دو سیستم با استفاده از ظرفیت خود باید به مدت 30 ثانیه به صورت پیوسته برق را تأمین کرده و همزمان نیز فرآیند شارژ مجدد به طور کامل انجام شود. هدف دستیابی به یک تنظیماتی است که در 10 درصد ولتاژ نامی، هر دو سیستم باید هزینه تعمیر و نگهداری کم و طول عمر 20 ساله داشته باشند (متخصصان مربوطه معتقدند که فلایویل‌ها دوام و بازدهی بیشتری نسبت به باتری‌ها دارند. زمان این موضوع را مشخص خواهد کرد.)

در ژاپن، از ابرخازن‌های بزرگ استفاده می­‌شود. برای مثال، به منظور کاهش استفاده از شبکه در زمان اوج مصرف و همچنین سهولت بارگذاری، سیستم‌های 4 مگاوات در ساختمان‌های تجاری نصب می‌شوند. از دیگر کاربرد‌‌های آن‌ها راه‌اندازی ژنراتور‌های پشتیبان هنگام قطع برق است و تا زمانی که قطع و وصل شدن برق به حالت پایدار برسد، برق را تأمین می‌کند.

ابرخازن‌ها به نیروگاه‌های الکتریکی نیز وارد شده‌اند. با توجه به شارژ بسیار سریع ابرخازن‌ها در طول سیستم ترمز احیاکننده (regenerative braking)، آن‌ها به عنوان افزاینده ماکزیمم بار در وسایل نقلیه هایبرید و نیز برای پیل سوختی گزینه مناسبی هستند. محدوده دمایی وسیع و عمر طولانی ابر خازن‌ها ازجمله مزیت‌های آن‌ها نسبت به باتری‌ها به شمار می‌روند.
سیستم ترمزاحیا کننده هنگامی که وسیله نقلیه ترمز می‌کند، انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

با توجه به اینکه مقدار انرژی ذخیره شده در ابرخازن‌ها نسبت به وزن آن‌ها کم است و اینکه با توجه به قیمت هر وات، گران هستند، از نظر برخی مهندسان طراح هزینه‌ای که برای ساخت ابرخازن صرف می‌شود بهتر است برای یک باتری بزرگ‌تر استفاده شود.

جدول ۴ خلاصه‌ای از مزایا و محدودیت‌های ابرخازن‌ها را نشان می‌دهد:

مزایا	· طول عمر نامحدود؛ ابرخازن‌ها می‌توانند میلیون‌ها بار شارژ ودشارژ شوند · توان بالایی دارند · به سادگی ظرف چند ثانیه شارژ می‌شوند · نیازی به مدار تشخیص کامل شدن شارز ندارند و پس از شارژ کامل، جریان کاهش می‌شوند ·فرایند شارژ و دشارژ در دمای کم به خوبی انجام می‌شود
محدودیت‌ها	· هنگام دشارژ، ولتاژ به صورت خطی کاهش می‌یابد که مانع استفاده از طیف انرژی کامل می‌شوند. · نسبت به اکثر باتری‌­ها، خوددشارژی بالایی دارند · ولتاژ کاری کمی دارند و در صورت نیاز به ولتاژهای بالاتر به صورت سری به هم متصل می‌­شوند. · به ازای هر وات قیمت بالایی دارند.

امیدواریم از این مقاله لذت برده باشید و اطلاعات مفیدی درباره ابرخازن، کاربرهای آن و تفاوت‌هایی که با باتری دارد دریافت کرده باشید.
برای مطالعه دیگر مقالات آموزشی الکترونیک و همینطور یادگیری ساخت پروژه‌های الکترونیکی از وبلاگ ما دیدن کنید و مقالات ما را مطالعه کنید.
مثل همیشه سوالات و نظرات خود را در بخش دیدگاه با ما در میان بگذارید.