لماذا لا نستطيع استخدام مكثفات كبيرة بدلاً من البطاريات؟

تتمتع المكثفات بعدة خصائص رائعة. فهي تخزن الطاقة على شكل شحنة كهربائية بدلاً من الطاقة الكيميائية، على سبيل المثال. وهذا يسمح عادةً بشحنها بشكل فوري تقريبًا وتيارات خرج عالية جدًا. كما أنها قادرة على تحمل مئات الآلاف من دورات الشحن والتفريغ، مقارنةً بمئات الدورات فقط للبطاريات كاملة الشحن والتفريغ. إذن، ما المشكلة؟

توفر البطارية جهدًا ثابتًا نسبيًا طوال عمرها الافتراضي الطويل. اعتمادًا على الجهاز، قد تواجه مشكلات في الأداء عند اقتراب البطارية من النفاد. على سبيل المثال، تدخل الهواتف الذكية في وضع توفير الطاقة. ليس هذا فقط لإطالة عمرها، بل لمنع إيقاف تشغيلها المفاجئ دون سابق إنذار.

كما تلاحظ، ينخفض ​​الجهد الكهربائي مع اقتراب البطارية من النفاد. يوجد في هاتفك دائرة لتحويل الطاقة، وهي جزء من نظام إدارة الطاقة، تعمل على تحويل طاقة البطارية غير الثابتة إلى طاقة نظام مُنظمة بدقة (على الأرجح عدة جهود كهربائية مختلفة). لاحظ العلاقة المهمة هنا: الطاقة = التيار × الجهد. لذا، للحفاظ على نفس الطاقة، مع انخفاض الجهد، يجب أن تسحب الدائرة تيارًا أكبر.

لكل بطارية مقاومة داخلية طفيفة، وبسبب قانون أوم، يحدث انخفاض في الجهد داخلها. في الرسم التوضيحي، Vout = V0 - r * I، حيث I هو التيار. بالتالي، مع انخفاض V0، واضطرار دائرة إدارة الطاقة إلى سحب تيار أكبر لتوفير نفس القدرة، ينخفض ​​جهد خرج البطارية بشكل أسرع. هذا يحد من أقصى تيار خرج للبطارية، ويعني أيضاً أنها تنفد بسرعة عند اقترابها من النفاذ.

لكن جهد الخرج، وذروة التيار، والطاقة الكلية في المكثف تتناقص بشكل أُسّي مع مرور الوقت. يتميز المكثف بميزة واحدة: فهو يخزن الشحنة الكهربائية، بدلاً من تحويلها إلى شحنة كيميائية كما في البطارية، لذا فرغم وجود مقاومة داخلية، إلا أنها ضئيلة ويمكن إهمالها عادةً. يمكن للمكثفات توفير تيارات عالية جدًا لفترة قصيرة.

لكنها تُشكّل مشكلة عند استخدامها لتشغيل الأجهزة. تذكر رغبتي في الحفاظ على تدفق طاقة ثابت إلى نظام إدارة الطاقة، حيث الطاقة = التيار × الجهد. مع انخفاض الجهد بسرعة، يجب تعويضه بتيار متزايد بسرعة لتوفير نفس الطاقة. التيارات العالية جدًا تُؤدي إلى دائرة كهربائية أكثر تكلفة، ومكونات تحويل طاقة أكبر، وفقدان طاقة أكبر في لوحات الدوائر، إلخ... نفس المشكلة الأساسية التي تُعاني منها البطارية قرب نهايتها، إلا أن هذا يبدأ بالظهور مبكرًا جدًا في عمر تخزين الطاقة للمكثف. ومع استنزاف المكثف، ينخفض ​​تيار الذروة، رغم أنه لا يزال مرتفعًا نسبيًا.

المشكلة الأخرى هي أن المكثفات الفائقة الحديثة تتميز بكثافة طاقة نوعية أقل بكثير من البطاريات. أفضل المكثفات الفائقة المتوفرة في السوق تصل كثافتها إلى 8-10 واط/كغ، بينما معظمها لا يتجاوز 5 واط/كغ. أما أفضل بطاريات الليثيوم أيون، فتُنتج ما يقارب 200 واط/كغ، ويمكن للعديد من تركيباتها أن تتجاوز 100 واط/كغ. لذا، أنت بحاجة إلى وزن يعادل 20 ضعف وزن البطاريات لاستخدام المكثفات الفائقة. بل ربما أكثر، لأنه في مرحلة ما أثناء التفريغ، وبحسب التطبيق، سينخفض ​​الجهد إلى مستوى غير قابل للاستخدام، مما يُهدر الطاقة. إضافةً إلى ذلك، وعلى عكس المكثفات التقليدية، تتميز المكثفات الفائقة بمقاومة داخلية عالية نسبيًا. لذا، فهي لا تدعم بالضرورة تبادل الجهد بالتيار بكفاءة عالية.

ثم هناك التفريغ الذاتي: ما مدى سرعة "تسرب" الطاقة من جهاز التخزين؟ خلايا NiMh الوحيدة المتينة، لكنها تُفرغ ذاتيًا بنسبة تصل إلى 20-30% شهريًا. خلايا الليثيوم أيون تُقلل هذه النسبة إلى أقل من 2% شهريًا تقريبًا، اعتمادًا على تقنية الليثيوم أيون المُستخدمة، وربما 3% في بعض الأنظمة اعتمادًا على متطلبات مراقبة البطارية. المكثفات الفائقة الحالية تُفرغ ما يصل إلى 50% من شحنتها في الشهر الأول. قد لا يُشكل هذا مشكلة في جهاز يُعاد شحنه يوميًا، ولكنه يُحدّ بشكل كبير من استخدامات المكثفات مقارنةً بالبطاريات، على الأقل حتى يتم ابتكار تصاميم أفضل.

ونظرًا للحاجة إلى عدد كبير منها، قد تصل تكلفة المكثفات الفائقة حاليًا إلى 6-20 ضعف تكلفة البطاريات. إذا كان تطبيقك يتطلب طاقة خرج منخفضة جدًا، خاصةً مع ارتفاعات تيار عالية قصيرة جدًا، فقد يكون المكثف الفائق خيارًا مناسبًا. وإلا، فلن يكون بديلًا للبطاريات في المستقبل القريب.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تيارات عالية، مثل السيارات الكهربائية، لا يُعدّ استخدام المكثفات الفائقة خيارًا عمليًا حتى الآن. مع ذلك، قد تكون الأنظمة التي تجمع بين المكثفات الفائقة والبطاريات جذابة، نظرًا لتكامل خصائصها، حيث تتميز المكثفات الفائقة بنقل تيار عالٍ وعمر طويل، بينما تتميز البطاريات بكثافة طاقة عالية. وهناك جهود حثيثة تُبذل لتطوير مكثفات فائقة وبطاريات أفضل بكثير. لذا، ربما في المستقبل، ستتولى المكثفات الفائقة مهام البطاريات التقليدية بشكل أكبر.

المقال من: https://qr.ae/pCacU0