Vigtigheden af en høj dielektrisk konstant i enkelt lag Ultracapacitors

En dielektrisk er enhver elektrisk isolator, der kan polariseres af et elektrisk felt. Under indflydelse af et elektrisk felt ændres opladningsfordelingen i dielektriske, så de positive ladninger flugter med feltet.

Solpanel energi kollektion er en etableret teknologi. Men selv om priserne er faldet enormt i løbet af det seneste årti, er der flere udfordringer, der hæmmer væksten. En af disse er netinfrastrukturen, som er dårligt rustet til at håndtere variabiliteten af vedvarende energikilder som vind- og solenergi, og den anden er oplagring. Mens der findes flere opbevaringsløsninger, såsom batterier, elektrolytiske kondensatorer og mekaniske opbevaringssystemer, har de alle mangler.

Her vil vi se på, hvordan en nylig udvikling i solid state enkelt lag energi lagringsenheder (SSESD) tilbyder en løsning. SSESD indeholder en høj permittivity dielektrisk med en dielektrisk konstant i størrelsesordenen 16 millioner.

Dielectrics delte et eller flere

En dielektrisk er enhver elektrisk isolator, der kan polariseres af et elektrisk felt. Under indflydelse af et elektrisk felt ændres opladningsfordelingen i dielektriske, så de positive ladninger flugter med feltet. De tre primære polariseringsmekanismer er:

  • Ionisk polarisering, hvor positive ioner flyder med marken, og negative ioner flyder mod marken
  • Orienteringspolalisering, hvor dielektrisk indeholder materialer med et permanent dipoløje, med andre ord har molekyler en ujævn opladningsfordeling
  • Interface polarisering, hvor gratis mobile afgifter i materialet migrerer til dielektrisk / elektrode interface; positive ladninger flyttes til den negative elektrode og positive ladninger til den negative elektrode.

Kondensatorer

I sin enkleste form består en kondensator af et dielektrisk lag klemt inde mellem to ledere. Anvendelse af en spænding på tværs af lederne skaber et elektrisk felt. Dielektrisk konstant eller permittivitet (K) af dielektrisk er forholdet mellem feltet uden dielektrisk (Eo) og feltet med dielektrisk (E).

K = Eo/E

I det beskrevne enkeltlagskondensator, når der påføres en spænding (V) på tværs af lederne, induceres en ladning (Q) i kondensatoren. Forholdet mellem spænding og ladning defineres som kondensatorens kapacitans (C).  

C = Q/V

Mængden af afgift gemt afhænger af areal (A) af lederne, adskillelse (d) mellem dem, og dielektriske konstant.

C = K(A/d)

Så for kondensatorer med identiske dimensioner, jo højere værdien af K, jo større er mængden af afgift, der kan lagres.

Den potentielle elektriske energi (E), der er lagret i en ladet kondensator, er en funktion af kapacitansen (C), spændingen (V) på tværs af elektroderne. Det svarer til det arbejde, der udføres ved at oplade det, og kan udtrykkes ved:

E = 1/2 CV2

Effekttæthed

Effekttætheden af en kondensator er den mængde strøm, den kan producere for et givet volumen. For eksempel har kondensatorer en større effekttæthed end batterier, da de er i stand til at levere energi meget hurtigere end batterier kan. En lille kondensator kan have en meget højere effekttæthed end et stort batteri, selvom et batteri kan have en højere energitæthed. Med andre ord, magt er hastigheden for at bruge energi. Effekttætheden af en kondensator udtrykkes normalt som potentiel energi pr. gram eller pr. volumenenhed.

Ligesom kondensatorer kan levere strøm langt hurtigere, kan de også genoplade meget hurtigere.  Vi vil vende tilbage til magttæthed i forhold til solpanel energilagring senere, men først vil vi andre former for kondensatorer, nemlig ultrakondensatorer.

Ultrakondensatorer

Som vi har sagt, jo højere dielektriske konstant, jo større afgift, der kan lagres. Den første generation af superkondensatorer var baseret på øget kapacitans ved at indføre en elektrolyt. Typisk består disse af en anode, hvorpå et tyndt dielektrisk lag er deponeret, en elektrolyt, og en katode. Elektrolytten danner den sande katode. Når de polariseres, danner ioner i elektrolytten dobbeltlag med negative ioner tiltrukket af den positive elektrode.

Sammenlignet med konventionelle kondensatorer har elektrolytiske ultrakondensatorer en langt højere effekttæthed. En ulempe er imidlertid, at de kun kan modstå lave spændinger, før de bryder ned. Desuden er fremskridtene med deres udvikling aftaget.

Typisk er den højeste effekttæthed, der kan opnås med denne form for ultrakondensatorer, omkring 15 kW/kg.

Solid-state energilagringsenheder til et enkelt lag

I modsætning til elektrolytiske ultrakondensatorer bruger fast state ultracapacitors ikke en elektrolyt. I stedet, de indeholder en solid dielektrisk med en ekstremt høj dielektrisk konstant. Med henvisning til de ligninger, der er anført ovenfor, er kondensatorens potentielle energi direkte proportional med den dielektriske konstant.  Således ved at indarbejde en super-dielektrisk med en dielektrisk konstant i størrelsesordenen 106 kondensatorer med ekstremt høj effekt tætheder kan konstrueres.

Vi har udviklet sådan en dielektrisk. Dens dielektriske konstant på 16 millioner er den højeste værdi endnu rapporteret. Typisk en stak på 6.000 lag på 400 cm2 og en ladespænding på 600 V ville levere 85 kWh og en effekttæthed på 7,78 kW / kg.

Opladningstid

En stor fordel ved SSESD i forhold til elektrolytiske ultrakondensatorer er opladningstiden. Ladetiden styres af forsyningsspændingen og kondensatorens tilsvarende seriemodstand (ESR). ESR er kompleks og bestemt af en række faktorer, herunder de anvendte materialer og den mekaniske konstruktion. I en konventionel ultrakondensator er ESR relativt høj, selvom polymertype ultrakondensatorer kan konstrueres med lavere ESR, men stadig væsentligt højere end SSESD. De typiske opladningstider varierer fra 1 til 10 sekunder.

I tilfælde af vores SSESD, er afgiften gemt på dielektrisk / metal interface. ESR kan opnås meget lavere og hurtige opladningstider. I øjeblikket ser vi opladningstider for flere lag på mindre end et sekund.

Solenergi

Det nuværende mål for vedvarende energi er at udlede en tredjedel af den samlede energi fra vedvarende energikilder inden 2020. Vi kan meget vel langt fra nå dette mål, medmindre der udvikles forbedrede teknologier.

Konvertering af solenergi til elektrisk energi er en etableret teknologi, og sol gårde er et almindeligt syn på verdensplan. Mens der er forskellige måder at omdanne sollys til elektrisk energi, de mest almindelige er solvarmeanlæg og solceller.

  • Solvarmeanlæg koncentrater solstråling ved hjælp af linser og spejle og bruger varmen til at drive dampturbiner
  • Solceller udnytter det fænomen, at når halvledere absorberer fotoner af en bestemt frekvens, ophidser energien elektroner fra valensen ind i ledningsbåndet, der efterlader huller i valensbåndet. Solcellecellen består af et PN-kryds, så elektronerne flyttes til N-siden og hullerne til P-siden. Når et kredsløb dannes mellem de to sider, vil den elektriske strøm flyde og kan bruges til at drive en belastning.

Her er vores fokus på solceller, og hvordan de i kombination med ultrakondensatorer og især SSESD giver en optimal løsning til produktion af vedvarende energi.

Udfordringer for solenergiproduktion

I store dele af verden, kan solenergi yde et stort bidrag til nettet, men betydelige problemer tilbage. Solenergi er intermitterende; når solen skinner solenergi kan bidrage til nettet, men når en sky vises, at bidraget er reduceret betydeligt. Denne on / off effekt kan føre til nettet ustabilitet og for at overvinde dette, alternative energikilder er ofte forpligtet til at sparke i, når solenergi niveauer falder.

For at undgå dette en form for energilagring er nødvendig for at udjævne udbuddet. Forskellige løsninger er mulige, herunder lithium-ion og bly-syre batterier, svinghjul, elektrolytiske kondensatorer, og ultrakondensatorer. Men specifikke energi overvejelser tyder på, at kun lithium-ion batterier, svinghjul og ultrakondensatorer er realistiske muligheder.

En anden overvejelse er levetid. Mindst 10.000 cyklusser plus og en minimum levetid på 10 år er et typisk krav. Dette eliminerer lithium-ion batterier forlader bare svinghjul og ultrakondensatorer. Et problem med svinghjul er, at de skal bygges under jorden og kræver betydelige investeringer, mens ultrakondensatorer er en langt enklere løsning. Derudover har ultrakondensatorer ingen bevægelige dele og kræver meget lidt vedligeholdelse.

SSESD til energiindsamling af solpaneler

Som vi har vist, SSESD med høje dielektriske konstanter giver mange fordele i forhold til konventionelle ultrakondensatorer. De tilbyder bedre magt tætheder, højere afgift satser, og har en potentiel omkostningsfordel. Integration med solpaneler er let og giver en umiddelbar løsning på intermittency af solenergi selv på panelniveau.

Efterlad et

Sialon Keramik Ltd.

Sialon Ceramics Ltd er blevet dannet med det formål ultralyd at udvikle miljøvenlige energilagringsenheder eller 'batterier'. Nu 60% udviklet, ville disse enheder revolutionere den måde elektrisk energi er gemt og transporteret. Med kun 4 minutters opladning, ville en elektrisk køretøj ved hjælp af vores batteri være i stand til at køre i op til 480 kilometer langt over nuværende langsom opladning Li-Ion batterier.

Hovedkontor

  • Østerbrogade 226 st. tv.
  • DK-2100 København
  • København
  • Danmark
  • CVR DK 37012807

Kontakt

Aug 9, 2020 - Søn
København, DK
30°C
overskyede skyer
overskyede skyer
4 m/s, N
45%
764.32 mmHg
søn08/09man08/10tir08/11wed08/12tor08/13
brudte skyer
28/22°C
let regn
25/19°C
klar himmel
23/18°C
klar himmel
22/18°C
få skyer
23/17°C
Du må ikke kopiere tekst!
En_usengelsk
fr_FRFrançais En_usengelsk