ابرخازن‌ها — آشنایی با مفاهیم و کاربردها

خازن‌ها وسایل ذخیره انرژی الکتریکی هستند که توانایی انباشت بار الکتریکی Q را دارند. برخلاف مقاومت که بر اثر حرارت، انرژی را دفع می‌کند، یک خازن ایدئال، انرژی را در خود ذخیره می‌کند و هیچ جزئی از آن به هدر نمی‌رود. ساده‌ترین نوع خازن در واقع دو صفحه فلزی رسانا است که به موازات هم قرار داده می‌شوند و به‌وسیله یک ماده عایق مانند هوا، میکا، کاغذ، سرامیک و یا مواد مشابه از هم جدا می‌شوند. این مواد نارسانا دی‌الکتریک (d) نامیده می‌شوند.

خازن‌ها به این دلیل که توانایی انباشت بار را در خود دارند، می‌توانند انرژی را ذخیره کنند و میزان این انرژی ذخیره شده به ولتاژی (V) که بر روی صفحه‌های خازن اعمال می‌شود، بستگی دارد. هرچه ولتاژ بالاتر باشد، بار بیشتری در خازن ذخیره می‌شود: Q ∞ V

هر خازن یک ثابت تناسب دارد که ظرفیت خازنی یا «کاپاسیتانس» (capacitance) نامیده می‌شود و با حرف (C) نشان داده می‌شود. ظرفیت خازنی، توانایی یا گنجایش خازن برای ذخیره بار الکتریکی را معین می‌کند. مقدار باری که خازن می‌تواند ذخیره کند به‌وسیله ظرفیت خازنی تعیین می‌شود: Q ∞ C

می‌بینیم که یک رابطه بین بار Q، ولتاژ V، و ظرفیت خازنی C، وجود دارد و هرچه ظرفیت خازنی بیشتر باشد مقدار باری که برای ولتاژ یکسان بر روی خازن ذخیره می‌شود، بیشتر خواهد بود. این رابطه را برای یک خازن می‌توان به صورت زیر تعریف کرد

بار روی خازن

که در آن Q (شارژ برحسب کلمب) برابر است با C (ظرفیت خازنی برحسب فاراد) × V (ولتاژ برحسب ولت)

واحد ظرفیت خازنی کلمب/ولت است که به افتخار مایکل فارادِی، فاراد (F) نیز نامیده می‌شود. یک فاراد به صورت ظرفیت یک خازن تعریف می‌شود که به بار ۱ کلمب برای ایجاد اختلاف‌پتانسیل ۱ ولت بین دو سر خازن نیاز دارد.

اما خازن یک فاراد معمولاً برای اغلب استفاده‌های عملی در الکترونیک بسیار بزرگ است، به همین دلیل واحدهای بسیار کوچک‌تری مانند میکروفاراد (μF)، نانوفاراد (NF)، و پیکوفاراد (PF) به طور معمول مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• میکروفاراد       (μF) 1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10^-۶ F
• نانوفاراد          (nF) 1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10^-۹ F
• پیکوفاراد        (pF) 1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10^-۱۲ F

نوع دیگری از خازن نیز وجود دارد که اَبَرخازن (Ultracapacitor یا Supercapacitor) نامیده می‌شود. ابرخازن‌ها توانایی ذخیره‌سازی از چند میلی فاراد (mF) تا ده‌ها فاراد را در اندازه‌های کوچک دارند و امکان ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی در این مقیاس را در بین صفحات خود فراهم می‌سازند.

می‌دانیم که انرژی ذخیره شده در خازن به صورت معادله زیر نمایش می‌یابد:

در معادله فوق E نشان‌دهنده انرژی ذخیره شده در میدان الکتریکی برحسب ژول، V اختلاف‌پتانسیل بین دو سر خازن و C، ظرفیت خازنی برحسب فاراد است که به صورت زیر تعریف شده است:

در معادله فوق ε گذردهی ماده بین صفحه‌های خازن، A مساحت صفحه‌ها و d فاصله بین صفحه‌ها است.

آشنایی با ابرخازن‌ها

ابرخازن‌ها نوع دیگری از خازن هستند که دارای صفحه‌های رسانای بزرگی به نام الکترود هستند. مساحت این صفحه‌ها با A و فاصله بین آن‌ها با d نمایش می‌یابد. برخلاف خازن‌های معمولی که از مواد دی‌الکتریک خشک و جامد مانند تفلون، پلی‌اتیلن، کاغذ و امثال آن‌ها استفاده می‌کنند، ابرخازن‌ها از الکترولیت مایع بین الکترودها بهره می‌گیرند و بیشتر شبیه یک وسیله الکتروشیمیایی هستند که خازن الکترولیتیک نامیده می‌شود.

با این‌که ابرخازن نوعی وسیله الکتروشیمیایی است، اما برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی از هیچ‌گونه واکنش شیمیایی استفاده نمی‌کند. این بدین معنی است که ابرخازن به طور مؤثر یک وسیله الکتروستاتیک است که همانند شکل زیر انرژی الکتریکی را به شکل میدان الکتریکی بین دو الکترود رسانای خود نگه می‌دارد.

الکترودها که هر دو طرف آن‌ها دارای پوشش است از کربن گرافیتی به شکل کربن رسانای فعال‌شده، نانولوله‌های کربنی یا ژل کربنی ساخته شده‌اند. یک غشای کاغذی با منافذ ریز به نام جداساز، الکترودها را از هم دور نگه می‌دارد، اما امکان عبور یون‌های مثبت در حین جلوگیری از عبور الکترون‌ها وجود دارد. هم جداساز کاغذی و هم الکترودهای کربنی در الکترولیت مایع غوطه‌ور هستند و یک پوشش آلومینیومی در بین آن‌ها به عنوان کلکتور جریان، اتصال الکتریکی دو سر خازن را برقرار می‌کند.

سازه دو لایه‌ی الکترودهای کربنی و جداساز میتواند بسیار نازک باشد اما سطح مقطع مؤثر آن‌ها وقتی به دور هم پیچیده میشوند، هزاران مترمربع خواهد بود. در این صورت بدیهی است که برای افزایش ظرفیت یک ابرخازن باید سطح مقطع تماس آن را افزایش دهیم. این کار باید بدون دست‌کاری اندازه فیزیکی خازن یا استفاده از انواع خاصی از الکترولیت برای افزایش یون‌های مثبت، جهت بالا بردن رسانایی انجام گیرد.

خازن دولایه

ابرخازن‌ها وسایلی بسیار عالی برای ذخیره‌سازی انرژی هستند، چون مقدار بالای ظرفیت خازنی آن‌ها در حد صدها فاراد ناشی از فاصله اندک جدایی بین صفحه‌ها و سطح بالای الکترودها است که برای تشکیل لایه سطحی بزرگ یون‌های الکترولیتیک، به صورت یک لایه دوطرفه طراحی شده است. این سازه عملاً دو خازن ایجاد می‌کند که هر کدام از آن‌ها بر روی یک الکترود کربنی قرار دارند. به همین دلیل به ابرخازن، نام «خازن دو لایه» نیز داده می‌شود چون در واقع دو خازن به صورت سری تشکیل می‌دهد.

با این حال مشکل اندازه کوچک این است که ولتاژ اعمال شده بر خازن باید بسیار پایین نگه داشته شود. ولتاژ اسمی ابرخازن معمولاً به‌وسیله ولتاژ تجزیه الکترولیت تعیین می‌شود. به این ترتیب یک سلول خازنی معمولی ولتاژ کاری بین ۱ تا ۳ ولت بسته به الکترولیت مورد استفاده دارد که موجب میشود مقدار انرژی الکتریکی که ذخیره می‌کند، محدود باشد.

برای اینکه ابرخازن‌ها بتوانند ولتاژ معقولی را ذخیره کنند، باید به صورت سری به هم متصل شوند. ابرخازن‌ها برخلاف خازن‌های الکترولیتیک و الکترواستاتیک بر اساس ولتاژ ترمینال پایین‌شان شناخته می‌شوند. برای این‌که سلول‌های ابرخازنی بتوانند ولتاژ ترمینال اسمی بالاتری در حد ده‌ها ولت داشته باشند، باید همانند شکل زیر به صورت سری یا موازی به همدیگر متصل شوند.

افزایش ظرفیت ابرخازن‌ها

در شکل فوق V_CELL مقدار ولتاژ و C_CELL ظرفیت خازنی یک سلول است.

از آنجا که ولتاژ هر سلول خازنی در حدود ۳ ولت است، اتصال سلول‌های خازنی بیشتر به صورت سری باعث افزایش ولتاژ خواهد شد. در حالی که اتصال سلول‌های خازنی بیشتر به صورت موازی ظرفیت خازنی را افزایش می‌دهد. به این ترتیب می‌توانیم ولتاژ کل و ظرفیت خازنی کل یک بانک ابرخازن را به صورت زیر تعریف کنیم:

در روابط فوق M تعداد ستون‌ها و N تعداد ردیف‌ها هستند. توجه داشته باشید که ابرخازن‌ها نیز همانند باتری‌ها، قطبیت تعریف شده‌ای دارند که به صورت ترمینال مثبت بر روی بدنه خازن نمایش می‌یابد.

مثال شماره یک ابرخازن

یک ابرخازن ۵.۵ ولت، ۱.۵ فاراد به عنوان وسیله پشتیبان ذخیره انرژی یک مدار الکترونیکی مورد نیاز است. اگر ابرخازن از سلول‌های منفرد ۲.۷۵ ولت، ۰.۵ فارادی ساخته شده باشد، تعداد سلول‌های مورد نیاز و طراحی آرایه آن‌ها چگونه خواهد بود.

بنابراین آرایش این سلول‌ها بدین صورت است که دو سلول خازنی ۲.۷۵ ولت به صورت سری به هم متصل می‌شوند تا ولتاژ ۵.۵ ولت لازم را فراهم سازند.

در این صورت آرایش سلول‌ها به صورت شش ستون منفرد در دو ردیف خواهد بود که یک ابرخازن با آرایش ۲×۶ مانند شکل زیر تشکیل می‌دهند.

آرایه ابرخازنی ۲×۶

انرژی ابرخازن

ابرخازن نیز مانند همه خازن‌ها یک وسیله ذخیره‌سازی انرژی است. انرژی الکتریکی به صورت انباشت بار در میدان الکتریکی بین دو صفحه خازن ذخیره می‌شود و در نتیجه این انرژی ذخیره شده، یک اختلاف‌پتانسیل به صورت ولتاژ بین دو صفحه برقرار می‌شود. انرژی الکتریکی در طی زمان شارژ شدن (شارش جریان از یک منبع متصل شده به درون ابرخازن) بین دو صفحه آن ذخیره می‌شود.

زمانی که ابرخازن شارژ شد، شارش جریان از منبع تغذیه متوقف می‌شود و ولتاژ ترمینال ابرخازن با ولتاژ منبع تغذیه یکسان خواهد بود. در نتیجه یک ابرخازن شارژ شده حتی زمانی که از منبع ولتاژ جدا شود، انرژی الکتریکی را درون خود ذخیره می‌کند تا زمانی که لازم است به عنوان یک وسیله ذخیره انرژی از آن استفاده کرد، ارائه دهد.

هنگامی که شارژ ابرخازن تخلیه می‌شود (شارش جریان به خارج از ابرخازن)، انرژی ذخیره شده درون آن به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود تا بار اتصال یافته را تأمین کند. بنابراین ابرخازن خود، انرژی را مصرف نمی‌کند، بلکه در موارد مورد نیاز، انرژی الکتریکی را ذخیره و آزاد می‌کند. مقدار انرژی ذخیره شده در ابرخازن با ظرفیت خازنی آن متناسب است.

معادله ابرخازن

همان‌طور که قبلاً اشاره شد مقدار انرژی ذخیره شده با کاپاسیتانس خازن C و مربع ولتاژ V اعمال شده بر پایانه‌های آن متناسب است.

در رابطه فوق E انرژی ذخیره شده برحسب ژول است. در این صورت در مثال ابرخازن ما، مقدار انرژی ذخیره شده در آرایه خازنی به صورت زیر خواهد بود:

مقدار بیشینه انرژی که ابرخازن ما می‌تواند ذخیره کند ۲۲.۷ ژول است که به‌وسیله یک منبع شارژ ۵.۵ ولت تأمین می‌شود. این انرژی ذخیره شده به صورت شارژ در دی‌الکتریک الکترولیت باقی می‌ماند و زمانی که ابرخازن به یک بار اتصال یابد، همه انرژی ۲۲.۶۹ ژول آن به صورت جریان الکتریکی قابل استفاده خواهد بود. بدیهی است که وقتی ابرخازن به طور کامل تخلیه شارژ شود، انرژی ذخیره شده به صفر میرسد.

بدین ترتیب میبینیم که یک ابرخازن ایدئال، انرژی را مصرف کرده یا به هدر نمی‌دهد، بلکه از یک مدار شارژ بیرونی برای ذخیره انرژی در میدان الکترولیت استفاده می‌کند و سپس این انرژی ذخیره شده را در زمان اتصال به یک بار تخلیه می‌کند.

در مثال ساده‌ی ما انرژی ذخیره شده در ابرخازن در حدود ۲۳ ژول بود، اما در ابرخازن‌هایی با مقادیر ظرفیت و نرخ ولتاژ بالا چگالی انرژی می‌تواند بسیار بالاتر باشد. بدین ترتیب این ابرخازن‌ها به وسایل ایدئآلی برای ذخیره انرژی تبدیل می‌شوند.

در واقع ابرخازن‌هایی با ظرفیت هزاران فاراد و صدها ولت هم‌اینک در خودروهای الکتریکی هیبرید به عنوان وسایل حالت‌جامد ذخیره انرژی استفاده می‌شوند. این ابرخازن‌ها برای ذخیره و بازیابی انرژی در سیستم‌های ترمز، ایدئال هستند، چون می‌توانند انرژی را در زمان ترمز به سرعت ذخیره کرده و سپس در زمان شتاب گرفتن آن را تخلیه کنند. ابرخازن‌ها در سیستم‌های تولید انرژی تجدید پذیر نیز به عنوان جایگزین باتری‌های اسید سرب استفاده می‌شوند.

جمع‌بندی ابرخازن

در این نوشته دیدیم که ابرخازن یک وسیله الکتروشیمیایی است که از دو الکترود با منافذ ریز تشکیل یافته است. این الکترودها معمولاً از کربن فعال‌شده غوطه‌ور در محلول الکترولیت تشکیل یافته‌اند که بار الکتریکی را به صورت الکترواستاتیک ذخیره می‌کنند. این آرایش، دو خازن کارآمد ایجاد می‌کند که هر یک بر روی یک الکترود کربنی قرار می‌گیرند و به صورت سری به هم متصل می‌شوند.

ابرخازن‌هایی با ظرفیت صدها فاراد در اندازه‌های بسیار کوچک تولید شده‌اند که می‌توانند چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به باتری داشته باشند. با این حال نرخ ولتاژ یک ابرخازن معمولاً در حد ۳ ولت است که رقم کوچکی محسوب می‌شود. بنابراین باید چند خازن به صورت سری و موازی به هم متصل شوند تا بتوان از ولتاژ آن‌ها به صورت مفید استفاده کرد.

ابرخازن‌ها می‌توانند به عنوان وسایل ذخیره انرژی، همانند باتری استفاده شوند. در واقع آن‌ها معمولاً به صورت باتری‌های ابرخازنی نامیده می‌شود. اما برخلاف باتری می‌توانند چگالی‌های توان بسیار بالاتری را در طی زمان کوتاهی داشته باشند. ابرخازن‌ها در بسیاری از خودروهای بنزینی هیبریدی و خودروهای الکتریکی با پیشرانه سلول سوختی استفاده می‌شوند، زیرا توانایی تخلیه شارژ سریع ولتاژهای بالا و سپس شارژ مجدد را دارند. اما به‌کارگیری ابرخازن‌ها به همراه سلول‌های سوختی و باتری‌ها باعث می‌شود که بتوان اوج تقاضای توان و تغییرات سریع بار را به طرز مؤثرتری کنترل کرد.