چرا نمی‌توانیم به جای باتری از خازن‌های بزرگ استفاده کنیم؟

خازن‌ها چندین ویژگی عالی دارند. آن‌ها به جای انرژی شیمیایی، نیرو را به صورت بار الکتریکی ذخیره می‌کنند. این ویژگی معمولاً زمان شارژ تقریباً فوری و جریان خروجی بسیار بالایی را فراهم می‌کند. آن‌ها می‌توانند صدها هزار چرخه شارژ-دشارژ را تحمل کنند، در حالی که باتری‌های با چرخه کامل، صدها چرخه را تحمل می‌کنند. پس مشکل چیست؟

باتری در طول عمر مفید طولانی، ولتاژ نسبتاً ثابتی را ارائه می‌دهد. بسته به دستگاه، ممکن است در نزدیکی اتمام شارژ، با مشکلات عملکردی مواجه شوید. برای مثال، گوشی‌های هوشمند به حالت صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌روند. این حالت نه تنها برای مدت طولانی‌تری کار می‌کند، بلکه برای جلوگیری از خاموش شدن‌های ناگهانی و بدون هشدار نیز هست.

همانطور که می‌بینید، با نزدیک شدن باتری به اتمام، ولتاژ کاهش می‌یابد. در گوشی شما، یک مدار تبدیل برق وجود دارد که بخشی از مدیریت کلی برق است و برق نه چندان ثابت باتری را به یک برق سیستم بسیار تنظیم‌شده (احتمالاً مجموعه‌ای از ولتاژهای مختلف) تبدیل می‌کند. توجه داشته باشید که در اینجا یک رابطه مهم وجود دارد: برق=جریان*ولتاژ. بنابراین برای حفظ همان برق، با کاهش ولتاژ، مدار من باید جریان بیشتری بکشد.

هر باتری کمی مقاومت داخلی دارد و به دلیل رابطه دیگری به نام قانون اهم، می‌دانید که مقداری ولتاژ در باتری کاهش می‌یابد. در شکل، Vout=V0−r∗I است که در آن I جریان است. بنابراین، با کاهش V0 و نیاز مدار مدیریت توان به دریافت جریان بیشتر برای ارائه همان توان، ولتاژ خروجی باتری حتی سریع‌تر کاهش می‌یابد. این امر حداکثر جریان خروجی باتری را محدود می‌کند و همچنین به این معنی است که آنها هنگام نزدیک شدن به فرسودگی، خیلی سریع از مدار خارج می‌شوند.

اما ولتاژ خروجی، جریان پیک و توان کل در یک خازن با گذشت زمان به صورت تصاعدی کاهش می‌یابد. خازن یک مزیت دارد: بار الکتریکی را ذخیره می‌کند، نه اینکه مانند باتری، بار الکتریکی را به بار شیمیایی تبدیل کند، بنابراین اگرچه مقاومت داخلی وجود دارد، اما بسیار کوچک است و معمولاً می‌توان آن را نادیده گرفت. خازن‌ها می‌توانند جریان‌های بسیار بسیار بالایی را برای مدت کوتاهی فراهم کنند.

اما برای تأمین انرژی یک چیز، آنها مشکل‌ساز هستند. به یاد بیاورید که من می‌خواستم یک توان ثابت را به سیستم مدیریت توان خود وارد کنم، و آن توان = جریان * ولتاژ. همانطور که ولتاژ ما به سرعت کاهش می‌یابد، ما باید آن را با جریانی که به سرعت در حال افزایش است جبران کنیم تا همان توان را ارائه دهیم. جریان‌های بسیار بالا باعث ایجاد یک مدار بسیار گران‌تر، اجزای تبدیل توان بزرگتر، اتلاف توان بیشتر در بردهای مدار و غیره می‌شوند... همان مشکل اساسی که باتری در نزدیکی پایان عمر مفید ذخیره توان خازن دارد، فقط این اتفاق خیلی زود در اوایل عمر مفید ذخیره توان خازن شروع می‌شود. و با تخلیه خازن، جریان اوج، در حالی که هنوز نسبتاً زیاد است، نیز کاهش می‌یابد.

مشکل دیگر این است که ابرخازن‌های مدرن انرژی ویژه بسیار کمتری نسبت به باتری‌ها دارند. بهترین ابرخازن‌های موجود در بازار 8 تا 10 وات ساعت بر کیلوگرم را مدیریت می‌کنند، اکثر آنها تقریباً 5 وات ساعت بر کیلوگرم هستند. بهترین باتری‌های لیتیوم-یونی نزدیک به 200 وات ساعت بر کیلوگرم انرژی ارائه می‌دهند، بسیاری از فرمولاسیون‌ها می‌توانند به بیش از 100 وات ساعت بر کیلوگرم برسند. بنابراین برای استفاده از ابرخازن‌ها به حدود 20 برابر وزن نیاز دارید. اما احتمالاً بیشتر، زیرا در مقطعی از زمان تخلیه، بسته به کاربرد، ولتاژ آنقدر پایین می‌آید که قابل استفاده نیست و برق بلااستفاده می‌ماند. همچنین، برخلاف خازن‌های سنتی‌تر، ابرخازن‌ها مقاومت داخلی نسبتاً بالایی نیز دارند. بنابراین آنها لزوماً نمی‌توانند از تبادل زیاد ولتاژ با جریان پشتیبانی کنند.

سپس نوبت به خود-دشارژ می‌رسد: اینکه برق از یک دستگاه ذخیره‌سازی چقدر سریع "نشت" می‌کند. تنها سلول‌های NiMh مقاوم هستند، اما خود-دشارژ آنها به میزان 20 تا 30 درصد در ماه می‌رسد. سلول‌های لیتیوم-یونی این میزان را بسته به فناوری خاص لیتیوم-یون به کمتر از 2 درصد در ماه کاهش می‌دهند، و در برخی سیستم‌ها بسته به نظارت بر باتری، شاید به 3 درصد برسد. خازن‌های فوق سریع امروزی در ماه اول تا 50 درصد شارژ خود را از دست می‌دهند. این موضوع ممکن است در دستگاهی که روزانه شارژ می‌شود مهم نباشد، اما قطعاً موارد استفاده از خازن‌ها در مقابل باتری‌ها را محدود می‌کند، حداقل تا زمانی که طرح‌های بهتری ایجاد شوند.

و از آنجا که به تعداد زیادی از آنها نیاز دارید، هزینه فعلی ابرخازن‌ها می‌تواند ۶ تا ۲۰ برابر هزینه باتری‌ها باشد. اگر کاربرد شما به توان خروجی بسیار کمی نیاز دارد، به خصوص با نوسانات جریان بسیار کوتاه و زیاد، ابرخازن می‌تواند یک گزینه باشد. در غیر این صورت، در آینده نزدیک جایگزین باتری نخواهد شد.

برای کاربردهای جریان بالا مانند خودروهای برقی، هنوز به عنوان یک گزینه مستقل، واقعاً مورد توجه مفیدی نیست. اگرچه سیستم‌هایی که از هر دو باتری و اولتراکاپاس استفاده می‌کنند، می‌توانند جذاب باشند، زیرا تفاوت‌های آنها بسیار مکمل یکدیگر است، اما انتقال جریان بالا و عمر طولانی باتری در مقابل انرژی/چگالی انرژی ویژه بالای باتری، بسیار جذاب است. و کارهای زیادی برای ارائه اولتراکاپاس‌های بسیار بهتر و همچنین باتری‌های بسیار بهتر در حال انجام است. بنابراین شاید روزی اولتراکاپاس وظایف بیشتری از باتری‌های معمولی را بر عهده بگیرد.

مقاله از: https://qr.ae/pCacU0