Gelişen teknolojiye ve teknolojinin kullanım alanlarının artmasına bağlı olarak, elektrik enerjisini depolama ihtiyaçları gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Enerji depolama çalışmaları bilim dünyasında olanca hızı ile devam ederken, bu çalışmalarda amaç; enerjiyi daha kolay ve hızlı bir biçimde depolama, daha fazla kapasitede depolama ve depolanan enerjinin uzun süre kullanılmasıdır. Aynı zamanda enerjinin depolandığı birimlerin uzun ömürlü olması da üzerinde çalışılan en önemli konulardan biridir. Süper kapasitörler tüm bu amaçların ışığında üretilmişlerdir.
Süper Kapasitörler
İki katmanlı veya ultra kapasitör olarak da adlandırılan süper kapasitör; çok yüksek bir kapasitansa sahip olduğu için normal kondansatörlerden çok farklıdır. Kondansatörler, elektrokimyasal tepkimeye karşılık statik bir şarj vasıtasıyla enerjiyi depolarlar. Pozitif ve negatif plakalara bir voltaj uygulanması kapasitörü şarj eder. Kapasitörler enerji depolama seviyelerine göre 3 çeşide ayrılırlar. Bunlardan ilki, en temelinde kuru bir ayırıcı katman bulunan elektrostatik kapasitörlerdir. Bu klasik kapasitör çok düşük bir kapasiteye sahiptir ve esas olarak radyo frekanslarını ve filtrelemeyi ayarlamak için kullanılır. Enerji depolama boyutları birkaç picofarad (pf) ile birkaç mikrofarad (uF) arasında değişir. İkinci grupta elektrolitik kondansatörler bulunur. Elektrolitik kondansatör, elektrostatik kondansatörlere göre daha yüksek kapasitans sağlar ve bir picofarad’dan milyon kat fazla olan mikrofarad (uF) derecesine kadar enerji depolayabilirler. Bu kondansatörler nemli bir ayırıcı katman kullanırlar ve filtreleme, tamponlama ve sinyal bağlama için kullanılırlar. Üçüncü grup ise; farad derecesinde enerji depolayabilen süper kapasitörlerdir. Süper kapasitör yüksek akımlar ile kısa ve sık sürelerde şarj ve deşarj döngülerine giren enerji depolaması için kullanılır.
Farad, adını İngiliz fizikçi Michael Faraday’dan almış olan bir kapasite birimidir. Bir farad, bir volt uygulandığında bir coulomb elektrik enerjisi depolar. Bir mikrofarad bir farad’dan bir milyon kat daha küçüktür ve bir picofarad yine mikrofarad’dan bir milyon kat daha küçüktür.
Süper Kapasitörlerin Özellikleri
Tüm kapasitörlerin voltaj sınırları vardır. Elektrostatik kapasitör yüksek voltaja dayanıklı hale getirilebilirken, süper kapasitor 2.5-2.7 volt ile sınırlandırılmıştır. 2.8 volt ve daha yüksek voltajlar mümkündür ancak kapasitörün ömrü kısalmaktadır. Daha yüksek voltaj elde etmek için birkaç süper kapasitör seri bağlanır. Seri bağlantı toplam kapasiteyi düşürür ve dâhili direnci arttırır. Üçten fazla kapasitörden oluşan teller, herhangi bir hücrenin aşırı voltaja girmesini önlemek için voltaj dengelemesi gerektirir. Lityum iyon pillerde de benzer bir koruma devresi kullanılmaktadır.
Süper kapasitörün özgül enerjisi, 1 Wh/kg ile 30 Wh/kg arasında değişmekte olup Li-ion pillerden 10-50 kat daha azdır. Elektrokimyasal piller, kullanılabilir sabit bir gerilim üretirken, süper kapasitörün voltajı doğrusal bir şekilde azalmaktadır. Süper kapasitörler şarj durumunda iken, gerilim doğrusal olarak artar ve kapasitör dolduğunda tam şarj algılama devresine ihtiyaç duymazlar ve çekilen akım tamamen sıfırlanır. Deşarj durumunda ise, gerilim doğrusal olarak düşer.
Bir süper kondansatörün şarj süresi 1-10 saniyedir. Şarj karakteristiği elektrokimyasal bir pille benzerdir ve şarj akımı büyük ölçüde şarj cihazının akım taşıma kapasitesi ile sınırlandırılmıştır. Başlangıç şarjı çok hızlı yapılabilir ve maksimum şarj ekstra zaman alır. Süper kapasitörün aşırı şarj edilmesinde herhangi bir sorun yoktur. Bu nedenle tam şarj algılama devresi gerektirmez ve şarj bittiğinde akım sıfırlanır. Süper kapasitörler neredeyse sınırsız sayıda şarj edilebilir ve boşaltılabilir. Kullanım ömrüne sahip olan elektrokimyasal bir pilin aksine süper kondansatörlerde, uzun süre kullanımlar sonucu çok az aşınma ve yıpranma oluşur. Belirtilenden daha yüksek gerilimler uygulandığında ise ömrü kısalır. Süper kapasitör, sıcak ve soğuk ortamlarda kararlı çalışmaktadırlar. Ancak piller aynı ortamlarda kararlı durumlardan çok uzaklaşırlar.
Süper Kapasitörlerin Kullanım Alanları
Kısa vadeli bir güç ihtiyacını karşılamak için hızlı bir şarj gerektiğinde, süper kondansatörlerin kullanımı idealdir. Piller ise uzun vadeli enerji sağlamak üzere seçilir. İkisini hibrid bir pille birleştirmek, her iki ihtiyacı da karşılar ve bu da daha uzun hizmet ömrü anlamına gelir. Bu tür piller bugün kurşun asit akülerde kullanıma sunulmaktadır.
Süper kapasitörlerin kullanımı, güç boşluklarını birkaç saniyeden birkaç dakikaya uzatmak için en etkili yöntemdir. Bu tür bir uygulama, Kuzey Amerika’nın en yoğun demiryollarından bir olan LIRR’de kullanılmaktadır. Bir trenin hızlanma sırasındaki voltaj sarkmasını önlemek ve pik güç kullanımını azaltmak için 2MW’lık bir süper kapasitör bankası, 2.5MW’lık güç sağlayan volanlara karşı New York’ta test edilmektedir. Her iki sistem de, ilgili MW kapasitesinde 30 saniye boyunca sürekli güç sağlamalı ve aynı anda tam olarak şarj edilmelidir. Her iki sistemin testi en az 20 yıl sürmelidir.
Yetkililer, volanların bu uygulamaya göre daha sağlam ve enerji açısından daha verimli olduğunu düşünüyorlar.
Japonya’da da büyük süper kapasitörler kullanılıyor. 4MW’lık sistemler, en yoğun talep zamanlarında şebeke tüketimini azaltmak ve yüklemeyi kolaylaştırmak için ticari binalarda kullanılmaktadır. Diğer uygulama alanı ise elektrik kesintileri sırasında yedek jeneratörleri başlatmak ve elektrikler gelene kadar güç sağlamaktır.
Süper kapasitörlerin geliştirilmesi ile kullanım alanları da çeşitlenmektedir. Günümüzde, elektrikli arabaların güç kaynaklarında kullanılması ve cep telefonlarının bataryalarında kullanılması gibi hedefler, süper kapasitörlerin gelecekte birçok alanda kullanılabileceğinin bir işaretidir.
Kaynakça:
http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor
Yazar:Burak Yıldırım
sarj ve desars 2.7 v altında dogrusal olarak degısmez..