Super condensatoren

//

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 deze 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 die niet onderbroken kunnen worden. Door een spanningsverschil toe te passen op de positieve en negatieve platen wordt de supercondensator opgeladen (dit concept is vergelijkbaar met 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 ten gunste van een batterijset of om de kans op ontlading van de batterij tijdens tijdelijke stroomuitval te verminderen.

De hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen, is afhankelijk van het actieve materiaal dat wordt gebruikt bij het ontwerp van een supercondensator. In potentie 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 sterk geactiveerd koolstofmateriaal, dat kan worden geweven. Waar een gewone condensator bestaat uit geleidende folies en een droge scheider, gaat de supercondensator over in batterijtechnologie door speciale elektroden en wat elektrolyt te gebruiken. Er zijn drie soorten elektrodematerialen die geschikt zijn voor de supercondensator: actieve kool met een hoog oppervlak, metaaloxide en geleidende polymeren. Het elektrodemateriaal met een hoog oppervlak, ook wel dubbellaagse condensator (DLC) genoemd, is het minst kostbaar om te vervaardigen en komt het meest voor. Het slaat de energie op in de dubbele laag die is gevormd nabij het koolstofelektrode-oppervlak.

De met koolstof geactiveerde elektroden verschaffen een groot netvormig gebied waarop een actief materiaal zoals rutheniumoxide wordt afgezet. Het materiaal levert een enorm oppervlak op, bijvoorbeeld 1000 vierkante meter per gram gebruikt materiaal. Cellulosepapier met polymeervezels om te versterken wordt meestal gebruikt als scheidingsteken tussen de elektroden. Elektrolyt is meestal verdund zwavelzuur. Ruthenium Oxide wordt door een chemische reactie omgezet in Ruthenium Hydroxide, waardoor energie kan worden opgeslagen.

Om bij hogere spanningen te werken, worden supercondensatoren in serie geschakeld. Op een reeks 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 aan een bestaande batterijset worden gekoppeld, kunnen ze het wisselen van de batterij verhinderen voor tijdelijke onderbrekingen, wat de levensduur van de set helpt verlengen. De levensduur van een supercondensator is doorgaans tien jaar (het dubbele van een gemiddelde UPS-batterij). Ze kunnen ook werken over een breed temperatuurbereik (minus 30 tot 45 graden Celsius).

Andere voordelen

o Vrijwel onbeperkte levensduur – kan miljoenen keren worden gefietst.

o Lage impedantie – verbetert het hanteren van de belasting wanneer deze parallel wordt geschakeld met een batterij.

o Snel opladen -supercondensatoren laden in seconden op.

o Eenvoudige oplaadmethoden – detectie van volledige lading is niet nodig; geen gevaar voor overladen.

Beperkingen

o Lineaire ontladingsspanning voorkomt het 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 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 kan het niet de volledige lading leveren. Als een 6V-batterij bijvoorbeeld mag ontladen tot 4,5V voordat de apparatuur wordt uitgeschakeld, bereikt de supercondensator die drempel binnen het eerste kwart van de ontlaadcyclus. De resterende energie glijdt naar een onbruikbaar spanningsbereik. Een DC-naar-DC-omzetter zou dit probleem kunnen verhelpen, maar een dergelijke regelaar zou kosten verhogen en een efficiëntieverlies van 10 tot 15 procent introduceren.

De oplaadtijd van een supercondensator is ongeveer 10 seconden. Het vermogen om energie op te nemen wordt in hoge mate beperkt door de grootte van de oplader. De laadkarakteristieken zijn vergelijkbaar met die van een elektrochemische batterij. De eerste lading is erg snel; het bijvullen kost extra tijd. Er moeten voorzieningen worden getroffen om de stroom te beperken bij het opladen van een lege supercondensator.

Qua oplaadmethode 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 detectiecircuit met volledige lading nodig. Supercondensatoren nemen zoveel energie op als nodig is. Als ze vol zijn, accepteren ze geen lading meer. Er is geen gevaar voor overbelasting of ‘geheugen’.

Supercondensatoren zijn relatief duur in termen van kosten per watt. Sommige ontwerpingenieurs beweren dat het geld beter kan worden besteed aan het leveren van een grotere batterij door extra cellen toe te voegen. Maar de supercondensator en de chemische batterij zijn niet noodzakelijk in concurrentie. Ze versterken elkaar.