L'importance d'une constante diélectrique élevée dans les condensateurs monocouches Ultracapacité

Un diélectrique est un isolant électrique capable d'être polarisé par un champ électrique. Sous l'influence d'un champ électrique, la répartition des charges dans le diélectrique change de sorte que les charges positives s'alignent avec le champ.

Collecte d'énergie à partir de panneaux solaires est une technologie établie. Toutefois, bien que les prix aient fortement chuté au cours de la dernière décennie, plusieurs défis entravent sa croissance. L'une d'entre elles est l'infrastructure du réseau, qui est mal équipée pour faire face à la variabilité des sources d'énergie renouvelables comme l'énergie éolienne et solaire, et l'autre est le stockage. Bien qu'il existe plusieurs solutions de stockage, comme les batteries, les condensateurs électrolytiques et les systèmes de stockage mécanique, elles présentent toutes des lacunes.

Nous verrons ici comment un développement récent dans les dispositifs de stockage d'énergie à couche unique à l'état solide (SSESD) offre une solution. La SSESD intègre un diélectrique à haute permittivité avec une constante diélectrique de l'ordre de 16 millions.

Diélectriques

Un diélectrique est un isolant électrique capable d'être polarisé par un champ électrique. Sous l'influence d'un champ électrique, la répartition des charges dans le diélectrique change de sorte que les charges positives s'alignent avec le champ. Les trois principaux mécanismes de polarisation sont :

  • Polarisation ionique où les ions positifs circulent avec le champ et les ions négatifs circulent contre le champ.
  • Polarisation d'orientation où le diélectrique contient des matériaux à moment dipolaire permanent, en d'autres termes, les molécules ont une distribution de charge inégale.
  • Polarisation de l'interface, où les charges mobiles libres à l'intérieur du matériau migrent vers l'interface diélectrique/électrode ; les charges positives se déplacent vers l'électrode négative et les charges positives vers l'électrode négative.

Condensateurs

Dans sa forme la plus simple, un condensateur consiste en une couche diélectrique intercalée entre deux conducteurs. L'application d'une tension sur les conducteurs crée un champ électrique. La constante diélectrique ou permittivité (K) du diélectrique est le rapport entre le champ sans diélectrique (Eo) et le champ avec diélectrique (E).

K = Eo/E

Dans le condensateur monocouche décrit, lorsqu'une tension (V) est appliquée à travers les conducteurs, une charge (Q) est induite dans le condensateur. Le rapport entre la tension et la charge est défini comme la capacité (C) du condensateur.  

C = Q/V/V

La quantité de charge stockée dépend de la surface (A) des conducteurs, de la séparation (d) entre eux et de la constante diélectrique.

C = K(A/d)

Ainsi, pour des condensateurs de dimensions identiques, plus la valeur de K est élevée, plus la quantité de charge pouvant être stockée est importante.

L'énergie électrique potentielle (E) stockée dans un condensateur chargé est fonction de la capacité (C), de la tension (V) entre les électrodes. Elle est équivalente au travail effectué en la chargeant et peut être exprimée par :

E = ½ CV2

Densité de puissance

La densité de puissance d'un condensateur est la quantité de puissance qu'il peut produire pour un volume donné. Par exemple, les condensateurs ont une densité de puissance supérieure à celle des batteries car ils sont capables de fournir de l'énergie beaucoup plus rapidement que les batteries. Un petit condensateur peut avoir une densité de puissance beaucoup plus élevée qu'une grande batterie, même si une batterie peut avoir une densité énergétique plus élevée. En d'autres termes, la puissance est le taux d'utilisation de l'énergie. La densité de puissance d'un condensateur est habituellement exprimée en énergie potentielle par gramme ou par unité de volume.

Tout comme les condensateurs peuvent fournir de l'énergie beaucoup plus rapidement, ils peuvent aussi se recharger beaucoup plus rapidement. Nous reviendrons plus tard sur la densité de puissance par rapport au stockage de l'énergie des panneaux solaires, mais nous aborderons d'abord d'autres types de condensateurs, notamment les supercondensateurs.

Condensateurs haute capacité

Comme nous l'avons dit, plus la constante diélectrique est élevée, plus la quantité de charge qui peut être stockée est importante. La première génération de supercondensateurs était basée sur l'augmentation de la capacité par l'introduction d'un électrolyte. Généralement, il s'agit d'une anode sur laquelle une mince couche diélectrique est déposée, d'un électrolyte et d'une cathode. L'électrolyte forme la vraie cathode. Lorsqu'ils sont polarisés, les ions de l'électrolyte forment des couches doubles avec les ions négatifs attirés par l'électrode positive.

Comparés aux condensateurs conventionnels, les ultracondensateurs électrolytiques ont une densité de puissance beaucoup plus élevée. L'inconvénient, cependant, c'est qu'ils ne peuvent résister qu'aux basses tensions avant de tomber en panne. En outre, les progrès dans leur développement ont ralenti.

Typiquement, la densité de puissance maximale qui peut être atteinte avec ce type d'ultracondensateurs est d'environ 15 kW/kg.

Dispositifs de stockage d'énergie à l'état solide à couche unique

Contrairement aux ultracondensateurs électrolytiques, les ultracondensateurs à l'état solide n'utilisent pas d'électrolyte. Au lieu de cela, ils incorporent un diélectrique solide avec une constante diélectrique extrêmement élevée. En se référant aux équations données ci-dessus, l'énergie potentielle du condensateur est directement proportionnelle à la constante diélectrique. Ainsi, en incorporant un super diélectrique à constante diélectrique de l'ordre de 106 condensateurs à très haute densité de puissance, on peut construire.

Nous avons développé un tel diélectrique. Sa constante diélectrique de 16 millions est la valeur la plus élevée jamais enregistrée. Typiquement, un empilement de 6 000 couches de 400 cm2 et une tension de charge de 600 V fournissent 85 kWh et une densité de puissance de 7,78 kW/kg.

Temps de charge

Le temps de charge est un énorme avantage de la SSESD par rapport aux ultracondensateurs électrolytiques. Le temps de charge est régi par la tension d'alimentation et la résistance série équivalente (ESR) du condensateur. Le RÉE est complexe et déterminé par une gamme de facteurs, y compris les matériaux utilisés et la construction mécanique. Dans un ultracondensateur conventionnel, l'ESR est relativement élevé, bien que les ultracondensateurs de type polymère puissent être construits avec un ESR plus faible, mais toujours sensiblement plus élevé que le SSESD. Les temps de charge typiques varient de 1 à 10 secondes.

Dans le cas de notre SSESD, la charge est stockée sur l'interface diélectrique/métal. L'ESR permet d'obtenir des temps de charge beaucoup plus courts et rapides. Actuellement, nous constatons des temps de charge pour plusieurs couches de moins d'une seconde.

L'énergie solaire

L'objectif actuel pour les énergies renouvelables est de tirer un tiers de l'énergie totale des ressources renouvelables d'ici 2020. Il se peut que nous soyons loin d'atteindre cet objectif, à moins que des technologies améliorées ne soient mises au point.

La conversion de l'énergie solaire en énergie électrique est une technologie établie et les fermes solaires sont monnaie courante dans le monde entier. Bien qu'il existe plusieurs façons de convertir la lumière du soleil en énergie électrique, les plus courantes sont les centrales solaires thermiques et photovoltaïques.

  • Les centrales solaires thermiques concentrent le rayonnement solaire à l'aide de lentilles et de miroirs et utilisent la chaleur pour actionner les turbines à vapeur.
  • Le photovoltaïque exploite le phénomène selon lequel lorsque les semi-conducteurs absorbent des photons d'une certaine fréquence, l'énergie excite les électrons de la valence dans la bande de conduction, laissant des trous dans cette bande. La cellule photovoltaïque se compose d'une jonction PN, de sorte que les électrons se déplacent vers le côté N et les trous vers le côté P. Lorsqu'un circuit est formé entre les deux côtés, le courant électrique circule et peut être utilisé pour alimenter une charge.

Nous nous concentrons ici sur le photovoltaïque et sur la manière dont, en combinaison avec les ultracondensateurs et en particulier la SSESD, ils fournissent une solution optimale pour la production d'énergie renouvelable.

Les défis de la production d'énergie solaire

Dans de grandes parties du monde, l'énergie solaire peut apporter une contribution importante au réseau, mais d'importants problèmes subsistent. L'énergie solaire est intermittente ; lorsque le soleil brille, l'énergie solaire peut contribuer au réseau, mais lorsqu'un nuage apparaît, cette contribution est considérablement réduite. Cet effet de marche/arrêt peut conduire à l'instabilité du réseau et, pour y remédier, des sources d'énergie alternatives sont souvent nécessaires pour intervenir lorsque les niveaux d'énergie solaire baissent.

Pour éviter cela, une certaine forme de stockage de l'énergie est nécessaire pour égaliser l'alimentation. Diverses solutions sont possibles, y compris les batteries au lithium-ion et au plomb-acide, les volants d'inertie, les condensateurs électrolytiques et les ultracondensateurs. Toutefois, des considérations énergétiques spécifiques suggèrent que seules les batteries lithium-ion, les volants d'inertie et les ultracondensateurs sont des options réalistes.

Une autre considération est la durée de vie. Une durée de vie d'au moins 10.000 cycles et une durée de vie d'au moins 10 ans est une exigence typique. Cela élimine les batteries lithium-ion et ne laisse que les volants d'inertie et les supercondensateurs. Un problème avec les volants d'inertie est qu'ils doivent être construits sous terre et nécessitent des investissements importants, tandis que les supercondensateurs sont une solution beaucoup plus simple. De plus, les condensateurs haute capacité n'ont pas de pièces mobiles et nécessitent très peu d'entretien.

SSESD pour la collecte de l'énergie des panneaux solaires

Comme nous l'avons montré, la SSESD à constante diélectrique élevée offre de nombreux avantages par rapport aux ultracondensateurs classiques. Ils offrent de meilleures densités de puissance, des taux de charge plus élevés et un avantage potentiel en termes de coûts. L'intégration avec les panneaux solaires est facile et fournit une solution immédiate à l'intermittence de l'énergie solaire, même au niveau des panneaux.

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