Supercondensatoren

Een van de meest kritische aspecten van een ononderbroken stroomvoorziening (UPS) is het stand-by- of back-upbatterijsysteem, waar supercondensatoren nu een rol beginnen te spelen.

Een supercondensator lijkt op een gewone condensator, behalve dat hij een hoge capaciteit biedt in een klein pakket. Energieopslag vindt plaats door middel van statische lading in plaats van een elektrochemisch proces, inherent aan loodzuuraccu’s voor ononderbroken stroomvoorziening. Door een spanningsverschil aan te brengen op de positieve en negatieve platen, wordt de supercondensator opgeladen (dit strategy is vergelijkbaar fulfilled een elektrische lading die zich opbouwt bij het lopen op een tapijt).

Hun ontwerp maakt ze ideaal voor kleine ononderbroken stroomvoorzieningsinstallaties waarbij ze worden gebruikt in het voordeel van een batterijset of om de kans op ontlading van de batterij tijdens kortstondige stroomstoringen te verminderen.

De hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen, hangt af van het actieve materiaal dat wordt gebruikt bij het ontwerp van een supercondensator. Potentieel kan het tot 30 kW aan opgeslagen energie bereiken.

Een supercondensator (ook wel elektrische dubbellaagscondensator, elektrochemische dubbellaagscondensator of ultracondensator genoemd) bestaat uit twee elektroden die zijn gemaakt van een sterk geactiveerd koolstofmateriaal, dat kan worden geweven. Terwijl een gewone condensator bestaat uit geleidende folies en een droge scheider, gaat de supercondensator above in batterijtechnologie doorway gebruik te maken van speciale elektroden en wat elektrolyt. Er zijn drie soorten elektrodematerialen die geschikt zijn voor de supercondensator: geactiveerde koolstoffen fulfilled een groot oppervlak, metaaloxide en geleidende polymeren. Het elektrodemateriaal fulfilled een hoog oppervlak, ook wel Double Layer Capacitor (DLC) genoemd, is het minst kostbaar om te vervaardigen en is het meest gebruikelijk. Het slaat de energie op in de dubbele laag die wordt gevormd nabij het oppervlak van de koolstofelektrode.

De doorway koolstof geactiveerde elektroden zorgen voor een groot netvormig gebied waarop een actief materiaal zoals rutheniumoxide wordt afgezet. Het materiaal zorgt voor een enorm oppervlak, bijvoorbeeld 1000 vierkante meter per gram gebruikt materiaal. Cellulosepapier met polymere vezels om te voorzien in versterking wordt typisch gebruikt als de scheider tussen de elektroden. Elektrolyt is meestal verdund zwavelzuur. Rutheniumoxide wordt doorway een chemische reactie omgezet in rutheniumhydroxide en hierdoor kan energie worden opgeslagen.

Om bij hogere spanningen te werken, zijn supercondensatoren in serie geschakeld. Op een string van meer dan drie condensatoren is spanningsbalancering vereist om te voorkomen dat een cel overspanning bereikt.

Energie in een supercondensator is snel beschikbaar – en dit is een van de grootste voordelen. Wanneer ze worden gekoppeld aan een bestaande batterijset, kunnen ze de batterijcyclus remmen voor tijdelijke onderbrekingen, wat de levensduur van de set verlengt. De levensduur van een supercondensator is doorgaans tien jaar (het dubbele van die van een gemiddelde UPS-batterij). Ze kunnen ook werken in excess of een breed temperatuurbereik (min 30 tot 45 graden Celsius).

Andere voordelen:

o Vrijwel onbeperkte levensduur – kan miljoenen keren worden gefietst.
o Lage impedantie – verbetert de belastingbehandeling bij parallelschakeling met een batterij.
o Snel opladen – supercondensatoren laden in seconden op.
o Eenvoudige oplaadmethoden – detectie van volledige lading is niet nodig geen gevaar voor overbelasting.

Beperkingen

o Lineaire ontlaadspanning voorkomt gebruik van het volledige energiespectrum.
o Lage energiedichtheid – bevat doorgaans een vijfde tot een tiende van de energie van een elektrochemische batterij.
o Cellen hebben lage spanningen – seriële verbindingen zijn nodig om hogere spanningen te verkrijgen. Spanningsbalancering is vereist als er meer dan drie condensatoren in serie zijn geschakeld.
o Hoge zelfontlading – de snelheid is aanzienlijk hoger dan die van een elektrochemische batterij.

Terwijl de elektrochemische batterij een constante spanning levert in het bruikbare energiespectrum, is de spanning van de supercondensator lineair en daalt gelijkmatig van volledige spanning naar nul volt. Hierdoor is het niet in staat om de volledige lading te leveren. Als een batterij van 6 V bijvoorbeeld mag ontladen tot 4,5 V voordat de apparatuur wordt uitgeschakeld, bereikt de supercondensator die drempel in het eerste kwart van de ontlaadcyclus. De resterende energie glijdt in een onbruikbaar spanningsbereik. Een DC-naar-DC-converter zou dit probleem kunnen verhelpen, maar zo’n regelaar zou de kosten verhogen en een efficiëntieverlies van 10 tot 15 procent veroorzaken.

De oplaadtijd van een supercondensator is ongeveer 10 seconden. Het vermogen om energie te absorberen wordt voor een groot deel beperkt doorway de grootte van de oplader. De laadkarakteristieken zijn vergelijkbaar fulfilled die van een elektrochemische batterij. De eerste lading is zeer snel de topping kost further tijd. Er moet een voorziening worden getroffen om de stroom te beperken bij het opladen van een lege supercondensator.

Qua laadmethode lijkt de supercondensator op de loodzuuraccu. Volledige lading vindt plaats wanneer een ingestelde spanningslimiet is bereikt. Maar in tegenstelling tot de elektrochemische batterij, heeft de supercondensator geen volledig opgeladen detectiecircuit nodig. Supercondensatoren nemen zoveel energie op als nodig is. Als ze vol zijn, stoppen ze met het accepteren van de lading. Er is geen gevaar voor overladen of ‘geheugen’.

Supercondensatoren zijn relatief duur in termen van kosten for every watt. Sommige ontwerpingenieurs beweren dat het geld beter kan worden besteed aan een grotere batterij door added cellen toe te voegen. Maar de supercondensator en de chemische batterij concurreren niet noodzakelijkerwijs satisfied elkaar. Ze versterken elkaar.

Bron: Robin Koffler