L'importanza di un'alta costante dielettrica in singolo strato Ultracondensatori

UN dielettrico è qualsiasi isolante elettrico capace di essere polarizzato da un campo elettrico. Sotto l'influenza di un campo elettrico, la distribuzione della carica nei cambiamenti dielettrici in modo che le cariche positive si allineano con il campo.

Accumulazione di energia del pannello solare è una tecnologia stabilita. Tuttavia, anche se i prezzi sono scesi enormemente negli ultimi dieci anni, ci sono diverse sfide che ostacolano la sua crescita. Uno di questi è l'infrastruttura di rete che è mal attrezzata per affrontare la variabilità delle fonti energetiche rinnovabili come il vento e l'energia solare, e l'altro è la conservazione. Mentre esistono diverse soluzioni di storage, come batterie, condensatori elettrolitici e sistemi di stoccaggio meccanici, tutti hanno carenze.

Qui vedremo come un recente sviluppo in Solid State singolo layer Energy Storage Devices (SSESD) offre una soluzione. Il SSESD incorpora un alto dielettrico permittività con una costante dielettrica nell'ordine di 16 milioni.

Dielettrici

UN Dielettrico è un isolante elettrico in grado di essere polarizzato da un campo elettrico. Sotto l'influenza di un campo elettrico, la distribuzione della carica nei cambiamenti dielettrici in modo che le cariche positive si allineano con il campo. I tre meccanismi di polarizzazione primari sono:

  • Polarizzazione ionica dove gli ioni positivi fluiscono con il campo e il flusso di ioni negativi contro il campo
  • Polarizzazione orientativa dove il dielettrico contiene materiali con un momento di dipolo permanente, in altre parole, le molecole hanno una distribuzione di carica irregolare
  • Polarizzazione dell' interfaccia , dove le cariche mobili gratuite all'interno del materiale migrano all'interfaccia dielettrica/elettrodo; le cariche positive si muovono verso l'elettrodo negativo e le cariche positive all'elettrodo negativo.

Condensatori

Nella sua forma più semplice, un Condensatore è costituito da uno strato dielettrico racchiuso tra due conduttori. L'applicazione di una tensione attraverso i conduttori crea un campo elettrico. Il costante dielettrico o permittività (K) del dielettrico è il rapporto fra il campo senza il dielettrico (EO) ed il campo con il dielettrico (E).

K = EO/E

Nel condensatore a singolo strato descritto, quando una tensione (V) viene applicata attraverso i conduttori, viene indotta una carica (Q) nel condensatore. Il rapporto tra la tensione e la carica è definito come la capacità (C) del condensatore.  

C = Q/V

La quantità di carica immagazzinata dipende dall'area (A) dei conduttori, dalla separazione (d) tra loro e dalla costante dielettrica.

C = K (A/d)

Così, per i condensatori con dimensioni identiche, più alto è il valore della K, maggiore è la quantità di carica che può essere memorizzato.

L'energia elettrica potenziale (E) memorizzata in un condensatore caricato è una funzione della capacità (C), la tensione (V) attraverso gli elettrodi. È equivalente al lavoro svolto da caricarlo e può essere espresso da:

E = ½ CV2

Densità di potenza

Hte densità di potenza di un condensatore è la quantità di potere che può produrre per un dato volume. Per esempio, i condensatori hanno una maggiore densità di potenza rispetto alle batterie in quanto sono in grado di fornire energia molto più veloce di quanto le batterie possono. UN piccolo condensatore può avere una densità di potenza molto superiore a una batteria di grandi dimensioni, anche se una batteria può avere una maggiore densità di energia. In altre parole, il potere è il tasso di usare l'energia. La densità di potenza di un condensatore è solitamente espressa come energia potenziale per grammo o per unità di volume.

Proprio come condensatori in grado di fornire potenza molto più rapidamente, possono anche ricaricare molto più rapidamente.  Torneremo a densità di potenza in relazione al pannello solare di energia di stoccaggio più tardi, ma prima, ci saranno altri tipi di condensatori, vale a dire Ultracondensatori.

Ultracondensatori

Come abbiamo detto, più alta è la costante dielettrica, maggiore è la quantità di carica che può essere memorizzato. La prima generazione di Supercondensatori si basava sulla capacità crescente introducendo un elettrolita. Tipicamente, questi consistono di un anodo su cui un sottile strato dielettrico è depositato, un elettrolito e un catodo. L'elettrolita forma il catodo vero. Quando polarizzati, gli ioni nell'elettrolita formano doppi strati con ioni negativi attratti dall'elettrodo positivo.

Rispetto ai condensatori convenzionali, i Ultracondensatori elettrolitici hanno una densità di potenza molto superiore. UNO svantaggio, tuttavia, è che possono sopportare solo tensioni basse prima di abbattere. Inoltre, i progressi compiuti sul loro sviluppo hanno rallentato.

Tipicamente, la densità di potenza più elevata che può essere raggiunto con questo tipo di Ultracondensatori è di circa 15 kW/kg.

Dispositivi di storage energetico a singolo strato a stato solido

A differenza di Ultracondensatori elettrolitico, lo stato solido Ultracondensatori non utilizzare un Elettrolita. Invece, incorporano un dielettrico solido con una costante dielettrica estremamente alta. Riferendosi alle equazioni date sopra, l'energia potenziale del condensatore è direttamente proporzionale alla costante dielettrica.  Così, incorporando un super-dielettrico con una costante dielettrica nell'ordine di 106 condensatori con densità di potenza estremamente alta può essere costruito.

Abbiamo sviluppato un tale dielettrico. La relativa costante dielettrica di 16 milioni è il più alto valore tuttavia segnalato. In genere una pila di 6.000 strati di 400 cm2 e una tensione di ricarica di 600 V avrebbe erogato 85 kWh e una densità di potenza di 7,78 kW/kg.

Tempo di ricarica

UN vantaggio enorme di SSESD sopra Ultracondensatori elettrolitico è il tempo della carica. Tempo di ricarica è regolato dalla tensione di alimentazione e dalla resistenza di serie equivalente (ESR) del condensatore. L'ESR è complesso e determinato da una serie di fattori tra cui i materiali utilizzati e la costruzione meccanica. In un ultracapacitor convenzionale, l'ESR è relativamente alto, benchè il tipo Ultracondensatori del polimero possa essere costruito con l'ESR più basso ma ancora sostanzialmente superiore al SSESD. I tempi di carica tipici variano da 1 a 10 secondi.

Nel caso del nostro SSESD, la carica è immagazzinata sul dielettrico/metallo interfaccia. L'ESR molto più basso ed i tempi di carica veloci possono essere realizzati. Attualmente, stiamo vedendo i tempi di carica per diversi strati di meno di un secondo.

Energia solare

L'obiettivo attuale per le energie rinnovabili è quello di derivare un terzo dell'energia totale da risorse rinnovabili da 2020. Si può anche cadere molto a corto di tale obiettivo a meno che le tecnologie migliorate sono sviluppati.

Convertire l'energia solare in energia elettrica è una tecnologia stabilita, e le aziende agricole solari sono una vista comune in tutto il mondo. Mentre ci sono vari modi di convertire la luce solare in energia elettrica, il più comune sono solare termico impianti di energia e fotovoltaico.

  • Impianti solari di energia termica concentrare la radiazione solare utilizzando lenti e specchi e utilizzare il calore per guidare turbine a vapore
  • Il fotovoltaico sfrutta il fenomeno che quando i semiconduttori assorbono fotoni di una certa frequenza, l'energia eccita gli elettroni dalla valenza nella banda di conduzione lasciando buchi nella banda di Valenza. La cella fotovoltaica è costituita da una giunzione PN, quindi gli elettroni si muovono verso il lato N e i fori sul lato P. Quando si forma un circuito tra i due lati, la corrente elettrica scorre e può essere utilizzata per alimentare un carico.

Qui il nostro obiettivo è il fotovoltaico e come in combinazione con Ultracondensatori e in particolare SSESD forniscono una soluzione ottimale per la generazione di energia rinnovabile.

Sfide che si affacciano generazione di energia solare

In grandi parti del mondo, l'energia solare può dare un grande contributo alla griglia, ma i problemi significativi rimangono. L'energia solare è intermittente; Quando il sole splende l'energia solare può contribuire alla griglia, ma quando una nuvola sembra che il contributo è ridotto in modo sostanziale. Questo effetto on/off può portare a instabilità della rete e, per superare questo, fonti di energia alternativa sono spesso tenuti a calci in quando i livelli di energia solare caduta.

Per evitare questo una certa forma di immagazzinaggio di energia è richiesta per livellare fuori l'approvvigionamento. Sono possibili diverse soluzioni, tra cui batterie agli ioni di litio e al piombo, volani, condensatori elettrolitici e Ultracondensatori. Tuttavia, specifiche considerazioni di energia suggeriscono che solo batterie agli ioni di litio, volani e Ultracondensatori sono opzioni realistiche.

Un'altra considerazione è la vita. Almeno 10.000 cicli più e una durata minima di 10 anni è un requisito tipico. Questo elimina le batterie agli ioni di litio lasciando solo volani e Ultracondensatori. UN problema con volani è che devono essere costruiti sottoterra e richiedono investimenti sostanziali, mentre Ultracondensatori sono una soluzione molto più semplice. Inoltre, Ultracondensatori non hanno parti in movimento e richiedono manutenzione molto poco.

SSESD per pannelli solari collezione Energy

Come abbiamo dimostrato, SSESD con alte costanti dielettriche offre molti vantaggi rispetto Ultracondensatori convenzionali. Essi offrono una migliore densità di potenza, più alti tassi di carica, e hanno un potenziale vantaggio di costo. L'integrazione con i pannelli solari è facile e fornisce una soluzione immediata alla intermittenza dell'energia solare anche a livello di pannello.

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