Am văzut anterior că condensatoarele sunt dispozitive de stocare a energiei electrice care au abilitatea de a stoca o sarcină electrică Q. Spre deosebire de rezistor, care disipează energia sub formă de căldură, condensatorul ideal nu își pierde energia. De asemenea, am văzut că cea mai simplă formă a unui condensator sunt două plăci metalice paralele conductive care sunt separate pe o distanță "d" printr-un material izolant, cum ar fi aerul, mica, hârtia, ceramica etc., care se numește dielectric.

Condensatoarele stochează energia ca urmare a abilității lor de a stoca sarcina, cu cantitatea de sarcină stocată pe un condensator funcție de tensiunea V aplicată pe plăcile sale și cu cât este mai mare tensiunea, cu atât mai multă sarcină va fi stocată de condensator, deoarece: Q ~ V.

De asemenea, un condensator are o constantă de proporționalitate, numit capacitate, simbol C, care reprezintă abilitatea condensatorului sau capacitatea de a stoca o sarcină electrică cu cantitatea de sarcină funcție de valoarea capacității, deoarece: Q ~ C.

Atunci putem vedea că există o relație între sarcina Q, tensiunea V și capacitatea C, iar cu cât este mai mare capacitatea, cu atât este mai mare cantitatea de sarcin[ stocată pe un condensator pentru aceeași cantitate de tensiune și putem defini această relație pentru un condensator ca fiind:

Sarcina pe un condensator

unde: Q (sarcina, în Coulombi) = C (Capacitate, în Farad) x V (Tensiune, în Volți)

Unitatea de capacitate este coulomb/volt, care se mai numește Farad (F) [numit după M. Faraday] cu un farad fiind definit de capacitatea unui condensator, care necesită o sarcină de 1 coulomb pentru a stabili o diferență de potențial de 1 volt între cele două plăci.

Dar un condensator convențional de un farad ar fi foarte mare pentru cele mai multe aplicații electronice practice, de aceea se folosesc unități mult mai mici, cum ar fi microfarad (μF), nanofarad (nF) și picofarad (pF)

Microfarazi (μF) 1μF = 1 / 1.000.000 = 0,000001 = 10^-6 F

Nanofarad (nF) 1nF = 1 / 1.000.000.000 = 0,00000000001 = 10^-9 F

Picofarad (pF) 1pF = 1 / 1.000.000.000.000 = 0,000000000001 = 10^-12 F

Totuși, există un alt tip de condensator disponibil, numit Ultracondensator sau Supercondensator, care poate furniza valori de la câțiva milifarad (mF) la zeci de farad de capacitate într-o dimensiune foarte mică, permițând mult mai multă energie electrică să fie stocată între plăcile sale.

Am văzut că energia stocată într-un condensator este dată de ecuația:

unde: E este energia stocată în câmp electric în jouli, V este diferența de potențial între plăci și C este capacitatea condensatorului în farad și definită ca:

unde: ε este permitivitatea materialului dintre plăci, A este suprafața plăcilor și d este separarea plăcilor.

Ultracondensatoarele sunt un alt tip de condensator care este construit pentru a avea o placă conductivă mare, numită electrod, cu suprafața (A), precum și o distanță foarte mică (d) între ele. Spre deosebire de condensatoarele convenționale care utilizează un material dielectric solid și uscat, cum ar fi Teflon, Polietilenă, Hârtie etc., ultracondensatorul utilizează un electrolit lichid sau umed între electrozii săi, făcându-l mai mult un dispozitiv electrochimic asemănător unui condensator electrolitic.

Deși un ultracondensator este un tip de dispozitiv electrochimic, nu sunt implicate reacții chimice în stocarea energiei sale electrice. Aceasta înseamnă că ultracondensatorul rămâne în mod efectiv un dispozitiv electrostatic care își stochează energia electrică sub forma unui câmp electric între cei doi electrozi conductori, așa cum se arată.

Construcția ultracondensatorului

Electrozii acoperiți pe două fețe sunt fabricați din carbon grafitat sub formă de carbon conductiv activat, nanotuburi de carbon sau geluri de carbon. O membrană poroasă de hârtie, numită separator, ține electrozii separați, dar permite ionului pozitiv să treacă în timp ce blochează electronii mai mari. Atât separatorul de hârtie, cât și electrozii de carbon sunt impregnați cu electrolitul lichid cu o folie de aluminiu folosită între cele două pentru a acționa ca colector de curent făcând conexiune electrică cu urechile de lipit ale ultracondensatorului.

Construcția cu strat dublu a electrozilor de carbon și separatorul pot fi foarte subțiri, dar suprafața lor efectivă este de mii de metri pătrați atunci când sunt înfășurate împreună. Atunci, pentru a crește capacitatea unui ultra-condensator, este evident că trebuie să mărim suprafața de contact A (în m²) fără a mări dimensiunea fizică a condensatoarelor sau să folosim un tip special de electrolit pentru a crește disponibilitatea ioni pozitivi pentru creșterea conductivității.

Deci, ultracondensatoarele sunt dispozitive excelente de stocare a energiei datorită valorilor lor ridicate de capacitate până la sute de farazi, datorită distanței foarte mici d de separare a plăcilor lor și a ariei superioare A a suprafețelor electrozilor pentru formarea pe suprafața unui strat de ioni electrolitici care formează un strat dublu. Această construcție creează efectiv două condensatoare, unul la fiecare electrod de carbon, dând ultracondensatorului numele secundar de "condensator cu strat dublu", formând două condensatoare în serie.

Dar, problema cu această dimensiune mică este că tensiunea pe condensator poate fi numai foarte mică, deoarece tensiunea nominală a celulei ultracondensatorului este determinată în principal de tensiunea de descompunere a electrolitului. Atunci, o celulă tipică de condensator are o tensiune de lucru cuprinsă între 1 și 3 volți, în funcție de electrolitul utilizat, care poate limita cantitatea de energie electrică pe care o poate stoca.

Pentru a stoca sarcina la o tensiune rezonabilă, ultracondensatoarele trebuie să fie conectate în serie. Spre deosebire de condensatoarele electrolitice și electrostatice, ultracondensatoarele sunt caracterizate printr-o tensiune terminală joasă. Pentru a crește tensiunea terminală nominală la zeci de volți, celulele ultracondensatorului trebuie să fie conectate în serie sau în paralel pentru a obține valori de capacitate mai mari, după cum se arată.

Creșterea valorii ultracondensatoarelor

unde: VCELL este tensiunea unei celule, iar CCELL este capacitatea unei celule.

Deoarece tensiunea fiecărei celule a condensatorului este de aproximativ 3,0 volți, conectarea mai multor celule de condensator în serie va crește tensiunea, în timp ce conectați mai multe celule de condensator în paralel, va crește capacitatea sa. Atunci putem defini tensiunea totală și capacitatea totală a unui grup ultracondensator ca:

unde: M este numărul de coloane și N este numărul de rânduri. Rețineți, de asemenea, că la fel ca bateriile, supracondensatoarele și ultracondensatoarele au o polaritate definită cu terminalul pozitiv marcat pe corpul condensatorului.

Ultracondensator. Exemplul nr. 1

Este necesar un ultracondensator de 5,5 volți și 1,5 farad ca dispozitiv de rezervă pentru stocarea energiei pentru un circuit electronic. Dacă ultracondensatorul trebuie făcut din celule individuale de 2,75V, 0,5 F, să se calculeze numărul de celule necesare și aspectul matricei.

Matricea va avea, prin urmare, două celule de condensator de 2,75 V fiecare conectate în serie pentru a furniza 5,5 V necesari.

Atunci, matricea va avea un total de șase coloane individuale, formate din două rânduri de șase, formând astfel un ultracondensator cu o matrice de 6 x 2 așa cum este arătat.

Matrice de ultracondensator 6 x 2

Energia ultracondensatorului

Ca și în cazul tuturor condensatoarelor, un ultracondensator este un dispozitiv de stocare a energiei. Energia electrică este stocată ca sarcină în câmpul electric între plăcile sale și, ca urmare a acestei energii stocate, există o diferență de potențial, adică o tensiune, între cele două plăci. În timpul încărcării (curentul trece prin ultracondensator din sursa conectată), energia electrică este stocată între plăcile sale.

Odată ce ultracondensatorul este încărcat, curentul se oprește, iar tensiunea terminalului ultracondensatorului este egală cu tensiunea alimentării. Ca rezultat, un ultracondensator încărcat va stoca această energie electrică, chiar dacă este scos de la sursa de tensiune, până când este necesară funcționarea ca dispozitiv de stocare a energiei.

În timpul descărcării (curentul curge), ultracondensatorul schimbă această energie stocată în energie electrică pentru a alimenta sarcina conectată. Atunci, un ultracondensator nu consumă nici o energie în sine, ci în schimb va stoca și va elibera energia electrică, după cum este necesar, cu cantitatea de energie stocată în ultracondensator proporțională cu valoarea capacității condensatorului.

Așa cum am menționat mai înainte, cantitatea de energie stocată este proporțională cu capacitatea C și cu pătratul tensiunii V pe terminalele sale.

unde: E este energia stocată în jouli. Atunci, pentru exemplul de mai sus, cantitatea de energie stocată de matrice este dată de:

Deci, cantitatea maximă de energie care poate fi stocată de ultracondensatorul nostru este de 22,7 jouli, care a fost inițial furnizată de alimentarea cu 5,5 volți. Această energie stocată rămâne disponibilă ca sarcină în dielectricul electrolitului și atunci când este conectată la un consumator, 22,7 jouli de energie ai ultracondensatorului sunt disponibili ca un curent electric. Evident, atunci când ultracondensatorul este complet descărcat, energia stocată este zero.

Atunci vedem că un ultracondensator ideal nu ar consuma sau ar disipa energie, ci ia energie de la un circuit extern de încărcare pentru a stoca energia în câmpul său electrolitic și apoi să returneze această energie stocată atunci când livrează energie la un consumator.

În exemplul nostru, energia stocată de ultracondensator a fost de aproximativ 23 jouli, dar cu valori mari de capacitate și valori de tensiune mai mari, densitatea energetică a ultracondensatoarelor poate fi foarte mare, făcându-le ideale ca dispozitive de stocare a energiei.

De fapt, ultracondensatoarele cu mii de farazi și sute de volți sunt acum utilizate în vehicule electrice hibride (inclusiv Formula 1) ca dispozitive solid-state de stocare a energiei pentru sistemele de frânare regenerative, deoarece acestea pot da și primi rapid energie în timpul frânării și accelerând ulterior. Ultra și supercondensatoarele sunt utilizate și în sistemele de energie regenerabilă pentru înlocuirea bateriilor acide cu plumb.

Rezumat Ultracondensator

Am văzut că un ultracondensator este un dispozitiv electrochimic compus din doi electrozi poroși, de obicei făcuți din carbon activat, imersați într-o soluție de electrolit care stochează sarcina electrostatic. Acest aranjament creează efectiv două condensatoare, unul la fiecare electrod de carbon, conectate în serie.

Ultracondensatorul este disponibil cu capacități în sute de farazi, toate într-o dimensiune fizică foarte mică și pot obține o densitate de putere mult mai mare decât bateriile. Dar, tensiunea nominală a unui ultracondensator este de obicei mai mică de aproximativ 3 volți, astfel încât mai multe condensatoare trebuie să fie conectate în serie și în combinații paralele pentru a furniza orice tensiune utilă.

Ultracondensatoarele pot fi utilizate ca dispozitive de stocare a energiei similare unei baterii și, de fapt, sunt clasificate ca o baterie ultracondensator. Dar, spre deosebire de o baterie, pot obține densități de putere mult mai mari pe o durată scurtă. Acestea sunt utilizate în multe vehicule hibride pe bază de benzină și vehicule electrice acționate cu celule de combustibil, datorită capacității de a descărca rapid tensiuni ridicate și apoi să fie reîncărcate. Dar, prin operarea ultracondensatoarelor cu celule de combustie și baterii, cerințele de putere de vârf și schimbările tranzitorii ale sarcinii pot fi controlate mai eficient.