Η τεχνολογία των Υπερπυκνωτών στα φωτιστικά ασφαλείας

… ένα μέσο αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο έχει σκοπό να αντικαταστήσει τις μπαταρίες, λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει έναντι των μπαταριών.

Από τις αρχές τις δεκαετίας του ’50 οι ερευνητές άρχισαν να πειραματίζονται με τους υπερπυκνωτές, κατασκευάζοντας διάφορες παραλλαγές αυτών. Οι σημαντικότερες και επικρατέστερες παραλλαγές κατασκευής υπερπυκνοτών είναι τρεις και διαφέρουν στον τρόπο κατασκευής των ηλεκτροδίων τους.

1)      Υπερπυκνωτές διπλού στρώματος με ηλεκτρόδια από ενεργό άνθρακα ή παραγώγων του άνθρακα τοποθετημένα σε ηλεκτρολύτη

2)      Ψευδοπυκνωτές με ηλεκτρόδια οξειδίων του μετάλλου πάνω σε φορέα ενεργού άνθρακα τοποθετημένα σε ηλεκτρολύτη

3)      Υβριδικοί υπερπυκνωτές με ένα ηλεκτρόδιο από ενεργό άνθρακα και ένα από ηλεκτρόδιο από οξείδια του μετάλλου τοποθετημένα σε ηλεκτρολύτη. Αυτή η παραλλαγή αποτελεί συνδυασμό των δυο προαναφερθέντων.

Οι υπερπυκνωτές είναι ο συνδετικός κρίκος των απλών πυκνωτών και των μπαταριών, καθώς παρουσιάζουν μεγάλες χωρητικότητες, οι οποίες μπορούν να τους καταστίσουν επάξιους αντικαταστάτες των μπαταριών σε συστήματα εφεδρικής λειτουργίας, όπου απαιτείται άμεση και αδιάκοπτη τροφοδοσία. Πιο συγκεκριμένα οι χωρητικότητες των υπερπυκνωτών φτάνουν μέχρι και τα 10000Farads, με τάσεις λειτουργίας όμοιες με αυτές των αντίστοιχων στοιχείων των κοινών μπαταριών. Έτσι συνδυάζοντας πολλούς υπερπυκνωτές σε σειρά, μπορούμε να πετύχουμε ονομαστικές τάσεις λειτουργίας ίδιες με αυτές των τάσεων που συναντάμε στις μπαταρίες αυτοκινήτων ή σε μπαταρίες άλλων συσκευών.

Ο πυκνωτής είναι ένα σύστημα δυο γειτονικών αγωγών, ανάμεσα στους οποίους παρεμβάλλεται ένα μονωτικό υλικό, το οποίο ονομάζεται διηλεκτρικό του πυκνωτή. Οι δυο γειτονικοί αγωγοί ονομάζονται οπλισμοί του πυκνωτή. Ο πυκνωτής έχει την ιδιότητα να αποθηκεύει φορτίο, οπότε όταν ένας πυκνωτής είναι φορτισμένος οι οπλισμοί του έχουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία με αποτέλεσμα μεταξύ των οπλισμών του να αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού, η οποία μπορεί να αποδοθεί σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.

Σε έναν υπερπυκνωτή διπλού στρώματος οι οπλισμοί του υπερπυκνωτή αποτελούνται από μια πορώδη επιφάνεια με μεγάλη εσωτερική ενεργό επιφάνεια, ώστε να βοηθάει στην απορρόφηση ιόντων, παρέχοντας έτσι μεγάλη πυκνότητα φορτίων. Οι οπλισμοί βρίσκονται βυθισμένοι σε υγρό ηλεκτρολύτη, ο οποίος περιέχει ελεύθερα φορτία στη μορφή ιόντων. Ανάμεσά τους παρεμβάλλεται μια πολύ λεπτή πορώδης διαχωριστική μεμβράνη, η οποία εμποδίζει την επαφή των οπλισμών αφήνοντας όμως τα ιόντα να την διαπερνούν. Κατά τη φόρτισή του, τα ηλεκτρόδια φορτίζονται με αντίθετα φορτία, προκαλώντας ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο συγκρατεί στον πυκνωτή το συγκεντρωμένο φορτίο. Τα ηλεκτρόνια που είναι συγκεντρωμένα στο ένα ηλεκτρόδιο, έλκουν τα θετικά ιόντα του ηλεκτρολύτη και τα θετικά φορτία στο άλλο ηλεκτρόδιο έλκουν τα αρνητικά ιόντα του ηλεκτρολύτη. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μια χωρητικότητα μεταξύ των ιόντων και της επιφάνειας του οπλισμού. Το όνομα υπερπυκνωτής διπλού στρώματος  προκύπτει από τα δυο στρώματα ιόντων σε κάθε οπλισμό. Το πρώτο στρώμα που είναι κοντά στον οπλισμό λειτουργεί σαν διηλεκτρικό και το δεύτερο συγκρατεί τα φορτία. Αυτό συμβαίνει και στους δυο οπλισμούς του υπερπυκνωτή με αποτέλεσμα να δημιουργούνται εντός του πυκνωτή δυο ξεχωριστοί πυκνωτές που η συνολική τους χωρητικότητα προκύπτει από τις δυο χωρητικότητες συνδεμένες σε σειρά. Η τεράστια επιφάνεια που επιτυγχάνεται λόγω της πορώδους δομής των οπλισμό σε συνδυασμό με την εκμετάλλευση του φαινομένου του διπλού ηλεκτρικού στρώματος είναι που επιτρέπουν σε ένα υπερπυκνωτή διπλού στρώματος να έχει πολύ υψηλή χωρητικότητα. Η κύρια διαφορά μεταξύ των υπερπυκνοτών διπλού στρώματος και των ψευδοπυκνωτών είναι οι οπλισμοί που στην πρώτη περίπτωση είναι κατασκευασμένοι από ενεργό άνθρακα και στη δεύτερη περίπτωση από οξείδια μετάλλων πάνω σε φορέα από ενεργό άνθρακα. Οι ψευδοπυκνωτές μπορούν να αποθηκέυσουν 80% περισσότερη ενέργεια από έναν ίδιων διαστάσεων υπερπυκνωτή διπλού στρώματος λόγω της μεγαλύτερης πυκνότητας των ηλεκτροδίων, τα οποία είναι κατασκευασμένα από οξείδια μετάλλων. Τέλος οι υβριδικοί υπερπυκνωτές αποτελούν συνδυασμό ψευδοπυκνωτών και υπερπυκνωτών διπλού στρώματος.

Στην εικόνα 1 φαίνεται ένας υπερπυκνωτής ονομαστικής χωρητικότητας 350Farad και τάσης λειτουργίας 2,7V σε μέγεθος μια κοινής μπαταρίας D-Cell.

Η OlympiaElectronics δεν θα μπορούσε να μην ακολουθήσει αυτή την εξέλιξη στην τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας και έτσι το τμήμα έρευνας της εταιρείας ανέπτυξε φωτιστικά ασφαλείας που χρησιμοποιούν υπερπυκνωτές για την τροφοδοσία τους. Στην εικόνα 2 φαίνεται το αποτέλεσμα της έρευνας και ανάπτυξης ενός τέτοιου φωτιστικού. Στο πάνω μέρος της εικόνας φαίνεται η συστοιχία των υπερπυκνωτών, οι οποίοι είναι συνδεμένοι σε σειρά, σχηματίζοντας μια «μπαταρία» με ονομαστική τάση 10,8V. Στο κάτω μέρος της εικόνας φαίνεται το ηλεκτρονικό κύκλωμα, το οποίο εκτός από τον έλεγχο των λειτουργιών του φωτιστικού ασφαλείας ελέγχει και την σωστή φόρτιση των υπερπυκνωτών.

Θα αναρωτηθεί κανείς ποια είναι τα πλεονεκτήματα ενός φωτιστικού ασφαλείας με υπερπυκνωτές σε σχέση με κάποιο που χρησιμοποιεί κοινές μπαταρίες για την τροφοδοσία του. Το κυριότερο πλεονέκτημα είναι ο χρόνος φόρτισης των υπερπυκνωτών, ο οποίος ανέρχεται στη μια ώρα για το συγκεκριμένο φωτιστικό με ρεύμα φόρτισης 250mA, ενώ ο απαιτούμενος χρόνος φόρτισης  μια κοινής μπαταρίας Ni-MHχωρητικότητας 1500mAh για το συγκεκριμένο φωτιστικό με το ίδιο ρεύμα φόρτισης ανέρχεται στις 10 ώρες. Ο λιγότερος χρόνος φόρτισης έχει ως συνέπεια καταρχάς τη λιγότερη κατανάλωση από το δίκτυο και κατά δεύτερον ένα φωτιστικό ασφαλείας το οποίο θα είναι έτοιμο για πλήρη αυτονομία σε περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης 10 φορές πιο γρήγορα, από αυτό με τις κοινές μπαταρίες. Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα των υπερπυκνωτών είναι ο μεγάλος κύκλος φορτίσεων – εκφορτίσεων, όπου στις κοινές μπαταρίες ανέρχεται σε περίπου 600 ενώ στους υπερπυκνωτές περίπου στο ένα εκατομμύριο, ανάλογα με τον κατασκευαστή και τις περιβαλλοντικές συνθήκες, στις οποίες είναι εκτεθειμένος ο υπερπυκνωτής. Ο χρόνος ζωής των μπαταριών σε ένα φωτιστικό ασφαλείας  με συχνές διακοπές ανέρχεται στα 3 χρόνια περίπου, ενώ στους υπερπυκνωτές σε πάνω από 10 χρόνια. Ένα ακόμη πλεονέκτημα των υπερπυκνωτών είναι ότι μπορούν να εκφορτιστούν πλήρως, εφόσον βέβαια υπάρχουν τα κατάλληλα κυκλώματα για να εκμεταλλευτούν την ιδιότητα αυτή και να αξιοποιήσουν μέχρι και το τελευταίο volt του υπερπυκνωτή αποδίδοντας με τον τρόπο αυτό περισσότερη αυτονομία σε ένα σύστημα εφεδρικού φωτισμού. Τυπικά για μια μπαταρία Ni-MH ονομαστικής τάσης 3,6V προβλέπεται η εκφόρτισή της μέχρι η τάση της να φτάσει τα 3V, ενώ σε έναν υπερπυκνωτή δεν υπάρχει ο περιορισμός αυτός. Ας μην μείνουμε όμως μόνο στα πλεονεκτήματα, ας δούμε και κάποια μειονεκτήματα, τα κυριότερα εκ των οποίων είναι το μεγάλος κόστος των υπερπυκνωτών και φυσικά το μεγάλο τους μέγεθος σε σχέση με μπαταρίες αντίστοιχης χωρητικότητας. Στον πίνακα 1 αναφέρονται επιγραμματικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των υπερπυκνωτών έναντι των μπαταριών, για το φωτιστικό ασφαλείας της εικόνας 2. Τέλος να αναφέρουμε ότι οι υπερπυκνωτές ήδη βρίσκουν χρήση στα υβριδικά οχήματα, στην αεροπορία και στη βιομηχανία, λόγω της δυνατότητάς τους να παρέχουν μεγάλο στιγμιαίο ρεύμα και της άμεσης φόρτισής τους.

Πίνακας 1, Σύγκριση υπερπυκνωτών – μπαταριών για χρήση σε φωτιστικά ασφαλείας

Πηγή: Olympia Electronics