รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ด้วยการพัฒนาสังคมและเศรษฐกิจ ผู้คนให้ความสำคัญกับพลังงานสีเขียวและสิ่งแวดล้อมทางนิเวศมากขึ้นเรื่อยๆ ในฐานะที่เป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานชนิดใหม่ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้ดึงดูดความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากข้อดีที่ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ วิศวกรได้เริ่มเปลี่ยนแบตเตอรี่แบบเดิมด้วยซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในการออกแบบบางอย่างที่ต้องการโซลูชันกำลังสูงและประสิทธิภาพสูง ข้อบกพร่องในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ใหม่ เช่น Li-ion และ NiMH สามารถให้โซลูชันการจัดเก็บพลังงานที่เชื่อถือได้และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา ดังที่เราทราบกันดีว่าแบตเตอรี่เคมีจะเก็บประจุไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดการถ่ายโอนประจุฟาราเดย์ มีอายุการใช้งานสั้นและได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิอย่างมาก นี่เป็นปัญหาที่นักออกแบบแบตเตอรี่ตะกั่วกรด (แบตเตอรี่) เผชิญอยู่ด้วย

ในเวลาเดียวกัน กระแสไฟสูงอาจส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ดังนั้นสำหรับการใช้งานบางอย่างที่ต้องการอายุการใช้งานที่ยาวนานและความน่าเชื่อถือสูง แบตเตอรี่ที่ใช้ปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้จะแสดงข้อบกพร่องต่างๆ มากมาย คุณสมบัติและข้อดีของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ หลักการของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปส่วนใหญ่มีโครงสร้างไฟฟ้าสองชั้น เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นี้มีความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงมาก เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุแบบเดิมและแบตเตอรี่สำรอง ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีความจุประจุสูงกว่าตัวเก็บประจุธรรมดา และมีลักษณะของความเร็วในการชาร์จและการคายประจุที่รวดเร็ว ประสิทธิภาพสูง ไม่มีมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม อายุการใช้งานยาวนาน ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง และความปลอดภัยสูง . . นอกจากความสามารถในการชาร์จและคายประจุได้อย่างรวดเร็วแล้ว คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ก็คือความต้านทานต่ำ ดังนั้น เมื่อซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คายประจุจนหมด มันจะแสดงคุณลักษณะความต้านทานเล็กน้อย และหากไม่มีขีดจำกัด มันจะดึงกระแสแหล่งที่มาที่เป็นไปได้

ดังนั้นต้องใช้เครื่องชาร์จกระแสคงที่หรือแรงดันคงที่ เมื่อ 10 ปีที่แล้ว ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถขายได้ในปริมาณที่น้อยมากในแต่ละปี และมีราคาแพงมาก ประมาณ 1 ถึง 2 ดอลลาร์สหรัฐ/ฟารัด ปัจจุบัน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้ถูกส่งไปยังตลาดในปริมาณมากเป็นผลิตภัณฑ์มาตรฐาน และราคาก็ลดลงอย่างมาก โดยมีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 0.01 ~$0.02/ฟารัด ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้เริ่มเข้าสู่การใช้งานหลายประเภท เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้า อุตสาหกรรม และการขนส่ง โครงสร้างของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ แม้ว่าจะมีผู้ผลิตซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายรายในโลกซึ่งสามารถจัดหาผลิตภัณฑ์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ได้หลายประเภท แต่ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่นั้นใช้โครงสร้างไฟฟ้าสองชั้นที่คล้ายกัน โครงสร้างของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นคล้ายคลึงกับโครงสร้างของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า คล้ายกันมาก ความแตกต่างหลักคือวัสดุอิเล็กโทรด อิเล็กโทรดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในยุคแรกๆ ทำจากคาร์บอน วัสดุอิเล็กโทรดคาร์บอนมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และความจุขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างพื้นที่ผิวและอิเล็กโทรด มันสามารถมีขนาดใหญ่มาก ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ส่วนใหญ่สามารถอยู่ในระดับฟารัด และช่วงความจุทั่วไปคือ 1 ~ 5,000F การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีการใช้งานที่หลากหลาย เมื่อรวมกับสารที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง เช่น เซลล์เชื้อเพลิง ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถปล่อยพลังงานได้อย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานสูง ทำให้สามารถใช้เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงานเท่านั้น ปัจจุบัน ความหนาแน่นของพลังงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถสูงถึง 20kW/kg ซึ่งได้เริ่มที่จะยึดตลาดส่วนนี้ระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่แบบเดิม

ในการใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงแต่ต้องการพลังงานต่ำ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถใช้แทนแบตเตอรี่ได้ หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่สามารถนำมารวมกันสำหรับการใช้งานที่มีความต้องการพลังงานสูง เพื่อให้สามารถใช้ขนาดที่เล็กลงได้ ,แบตเตอรี่ประหยัดกว่า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีค่า ESR ต่ำมาก ทำให้สามารถจ่ายกระแสขนาดใหญ่และจมกระแสขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว เมื่อเทียบกับหลักการชาร์จด้วยสารเคมี หลักการทำงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำให้ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์นี้มีเสถียรภาพมากขึ้น ดังนั้น อายุการใช้งานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จึงยาวนานกว่า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นแหล่งพลังงานในอุดมคติสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการการชาร์จที่รวดเร็ว เช่น เครื่องมือไฟฟ้าและของเล่น ผลิตภัณฑ์บางชนิดเหมาะสำหรับแบตเตอรี่ไฮบริด/ระบบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถหลีกเลี่ยงการใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่เพื่อให้ได้พลังงานมากขึ้น ตัวอย่างคือ กล้องดิจิตอลในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ซึ่งการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำให้กล้องดิจิตอลสามารถใช้แบตเตอรี่อัลคาไลน์ราคาถูก (แทนที่จะเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนราคาแพง) ช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของเซลล์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ (เซลล์) คือ 2.5 ถึง 2.7V ดังนั้นการใช้งานจำนวนมากจึงจำเป็นต้องใช้เซลล์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายเซลล์ เมื่อเชื่อมต่อเซลล์เหล่านี้แบบอนุกรม วิศวกรออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาความสมดุลและการชาร์จระหว่างเซลล์ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ใดๆ จะคายประจุผ่านความต้านทานแบบขนานภายในเมื่อมีการจ่ายพลังงาน กระแสคายประจุนี้เรียกว่ากระแสรั่วไหล ซึ่งจะส่งผลต่อการคายประจุเองของหน่วยซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

เช่นเดียวกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ทุติยภูมิบางชนิด แรงดันไฟฟ้าของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จำเป็นต้องสมดุลเมื่อใช้แบบอนุกรม เนื่องจากมีกระแสรั่วไหล และขนาดของความต้านทานแบ่งภายในจะกำหนดการกระจายแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งเซลล์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม เมื่อแรงดันไฟฟ้าบนซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คงที่ แรงดันไฟฟ้าในแต่ละยูนิตจะเปลี่ยนไปตามกระแสไฟรั่ว ไม่ใช่ค่าความจุ ยิ่งกระแสไฟฟ้ารั่วไหลมากเท่าใด แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดก็จะน้อยลงเท่านั้น ในทางกลับกัน ยิ่งกระแสไฟฟ้ารั่วไหลน้อยลงเท่าใด แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เนื่องจากกระแสรั่วไหลทำให้เซลล์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คายประจุ ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าลดลง ซึ่งจะส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อื่นๆ ที่อนุกรมด้วย (สมมติว่าเซลล์เหล่านี้ต่ออนุกรมได้รับพลังงานจากแรงดันไฟฟ้าคงที่เดียวกัน) เพื่อชดเชยความแปรผันของกระแสไฟรั่ว วิธีการทั่วไปคือการเชื่อมต่อตัวต้านทานแบบขนานติดกับแต่ละยูนิตเพื่อควบคุมกระแสไฟรั่วของทั้งยูนิต วิธีการนี้จะช่วยลดความแปรผันของความต้านทานแบบขนานที่สอดคล้องกันระหว่างหน่วยต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

วิธีที่แนะนำอีกวิธีหนึ่งคือการปรับสมดุลเซลล์แบบแอคทีฟ ซึ่งแต่ละเซลล์จะได้รับการตรวจสอบอย่างแข็งขันและสมดุลระหว่างกันเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า วิธีการนี้จะช่วยลดภาระเพิ่มเติมใดๆ บนตัวเครื่อง ทำให้การทำงานมีประสิทธิภาพมากขึ้น หากแรงดันไฟฟ้าเกินแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของยูนิต อายุการใช้งานของยูนิตจะสั้นลง สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีความน่าเชื่อถือสูง วิธีรักษาแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในช่วงที่ต้องการถือเป็นประเด็นสำคัญ และต้องควบคุมแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่เกินแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของแต่ละเซลล์