הבנת קבלי-על והקשר שלהם עם סוללות

הצורך באחסון אנרגיה אמין גדל באופן דרמטי עקב העלייה של האינטרנט-של-דברים (IoT), ה-IoT התעשייתי (IIoT), האלקטרוניקה הנישאת ויישומים גדולים יותר כגון מפעלים תעשייתיים ומרכזי נתונים. סוללות מספקות כוח ישיר להתקנים קטנים יותר, בעוד סוללות ביישומים גדולים יותר משמשות לעיתים קרובות לגיבוי במקרה של הפסקת חשמל ראשית.

התקנים קטנים מסתמכים לעיתים קרובות על סוללות תא מטבע ליתיום-יון (Lit-ion) או אלקליין כדי להשיג את המטרות של גורם צורה‏ קטן ותחזוקה מינימלית. תאי ליתיום-יון (Li-Ion) דורשים תשומת לב מדוקדקת למגבלות מחזור טעינה ובטיחות. סוללות המשמשות לגיבוי יכולות להתבלות במהירות לאחר טעינה-מחדש מהירה ויש להחליפן. סוללות אלו גם דורשות מערכות ניהול סוללה מורכבות ועדיין יש להן את הפוטנציאל לבריחה תרמית, מה שמוביל לחששות בטיחות.

קבלי שכבה-כפולה חשמליים (EDLC), או קבלי-על (supercapacitors), מציעים‏ טכנולוגיה משלימה לסוללות. בעוד שסוללות יכולות לספק כוח לפרקי זמן ארוכים יחסית, קבלי-על יכולים לספק כוח במהירות לפרקי-זמן קצרים. קבלי-העל הם גם ידידותיים לסביבה, לא נתונים לבריחה תרמית, ויכולים לפעול בצורה אמינה עד 20 שנה. הם יכולים לשמש כשיטת אחסון האנרגיה היחידה, בשילוב עם סוללות, או כהתקן היברידי למיטוב אספקת כוח.

מאמר זה מתאר בקצרה קבלי-על ביחס לסוללות. אחר כך הוא סוקר מספר יישומים אופייניים, עצמאיים ובשילוב עם סוללות. קבלי-על מבית Eaton‏ משמשים להמחשה.

הבדלים בין קבלי-על וסוללות

קבל-על הוא התקן אחסון אנרגיה בעל קיבולת הספק סגולית גבוהה במיוחד בהשוואה להתקני אחסון אלקטרוכימיים כמו סוללות. סוללות וקבלי-על מבצעים פונקציות דומות של אספקת כוח אך פועלים באופן שונה. קבל-על עובד כקבל קלאסי בכך שפרופיל הפריקה עבור זרם‏ פריקה קבוע מציג ירידה‏ לינארית במתח. בניגוד‏ לסוללה, אחסון האנרגיה בקבל-על הוא‏ אלקטרוסטטי, כך שאין שינויים כימיים בהתקן, ופעולות טעינה ופריקה הן כמעט הפיכות לחלוטין. משמעות הדבר היא שהוא יכול לסבול מספר גדול יותר של מחזורי טעינה-פריקה.

סוללות אוגרות אנרגיה באופן אלקטרוכימי. פרופיל פריקה של סוללות ליתיום-יון הוא שטוח; הם מפגינים מתח כמעט קבוע עד שהסוללה מרוקנת כמעט במלואה. בשל הדגרדציה של המנגנונים הכימיים, מספר המחזורים של טעינה-פריקה בסוללת ליתיום-יון הוא מוגבל. גורמים כמו טמפרטורה, מתח טעינה ועומק הפריקה משפיעים על הפחתת קיבולת הסוללה.

סוללות ליתיום-יון נתונות לבריחה תרמית, הצתה-עצמית ואפילו פיצוץ. יצירת חום היא‏ בלתי-נמנעת בשל ראקציות כימיות במהלך טעינה ופריקה מחימום התנגדותי. מסיבה זו, סוללות דורשות ניטור טמפרטורה כדי להבטיח בטיחות משתמש.

השוואת מפרטי קבל-על וסוללת ליתיום-יון

סוללות מספקות צפיפות אנרגיה גבוהה. לקבלי-על צפיפות אנרגיה נמוכה יותר מאשר לסוללות, אבל צפיפות הספק גבוהה מכיוון שניתן לפרוק אותם כמעט באופן מיידי. התהליכים האלקטרוכימיים בסוללה לוקחים יותר זמן לספק אנרגיה לעומס. שני ההתקנים הם בעלי מאפיינים המתאימים לצרכי אחסון אנרגיה ספציפיים (איור 1‏).

איור 1: מוצגת השוואה של המאפיינים של קבלי-על וסוללות ליתיום-יון. (מקור התמונה: Eaton)

השוואת צפיפות האנרגיה, בוואט‏ שעות לליטר (Wh/L), וצפיפות ההספק, בוואט‏ לליטר (W/L), מראה את ההבדל המשמעותי ביותר בין ההתקנים. זה גם משפיעה על זמני הפריקה; קבלי-על מיועדים לספק אנרגיה על פני מרווחי זמן קצרים (אירועי טרנזיינט), בעוד סוללות עוסקות באירועים ארוכים. קבל-העל מתפרק בשניות או דקות, בעוד‏ סוללה יכולה לספק אנרגיה למשך שעות. מאפיין זה משפיע על היישום שלהם.

קבלי-על תומכים בתחום טמפרטורות עבודה רחב יותר מסוללות. התהליכים האלקטרוסטטיים שלהם, כמעט ללא הפסדים, תורמים גם הם לנצילותם הגבוהה יותר ולקצבי הטעינה המהירים יותר.

דוגמאות קבל-על

Eaton‏ מציעה קו שלם של‏ קבלי-על אמינים עבור יישומי אחסון אנרגיה הדורשים צפיפות הספק גבוהה וטעינה מהירה. האריזה הפיזית של קבלי-העל שלה לפעמים מתאימה לזו של סוללות, במיוחד תאי מטבע. הם זמינים גם במארזי קבל גליליים קונבנציונליים (איור 2‏).

איור 2‏: קבלי-העל זמינים במארזי קבל גליליים סטנדרטיים עם הדקים רדיאליים; חלקם ארוזים כדי להתאים לפורמטים של סוללת תא מטבע ליתיום-יון. (מקור התמונה: Eaton)

ה-Eaton TV1030-3R0106-R המוצג באיור 2‏ (שמאל) הוא קבל-על של ‏‏10 פאראד (F‏) עם מתח עבודה‏ מקסימלי של‏ ‎3 V‏. הוא ארוז בפחית גלילית עם הדקים רדיאליים. קוטר הפחית הוא 10.5 מילימטר (mm) ‏(0.413 אינץ' (.in)) וגובה של 31.5 מ"מ (.‎1.24 in). הוא בעל תחום טמפרטורות עבודה של 25°C- עד ‎65°C+ ותחום עבודה מורחב של ‎25°C- עד ‎85°C+ כשיורד בביצועים כדי לעבוד במתח של 2.5‎ V או פחות. הוא יכול לאחסן 12.5 מיליוואט-שעות (mW/hr) ‏של אנרגיה ולהפיק‏ הספק שיא של‏ 86.5‎ W. הוא מדורג ל-500,000 מחזורי טעינה/פריקה.

קבלי-על עשויים להחליף סוללות תא מטבע ביישומים רבים, כמו מקור כוח גיבוי של זיכרון. ה-Eaton KVR-5R0C155-R (איור 2‏, ימין) הוא קבל-על של ‏‏‎1.5 F‏ מדורג למתח עבודה מקסימלי של ‎5 וולט‏. מידות המארז שלו דומות לאלו של תא מטבע ‏‏20‏ מ"מ. הוא יכול לספק הספק שיא של 0.208 ואט. תחום טמפרטורות העבודה שלו הוא C‏°‏25‏- עד 70°C‏+. הוא מדורג גם כן ל-500,000 מחזורי טעינה/פריקה.

הגדלת צפיפות אנרגיה של קבל-על

האנרגיה השמורה‏ בקבל-על הוא‏ פרופורציונלי לקיבוליות שלו וריבוע המתח אליו הוא טעון. לכן, ניתן להגדיל את צפיפות האנרגיה על ידי הגדלת מספר התאים וחיבורם במקביל. ניתן להשיג צפיפויות אנרגיה גבוהות יותר על ידי יצירת מודולים של קבלי-על עם קיבוליות גבוהה ומתחי עבודה גבוהים יותר (איור 3‏).

איור 3‏: ניתן להגדיל את צפיפות האנרגיה של‏ קבל-על על ידי הוספת תאים מרובים והגדלת מתח העבודה. (מקור תמונה: Eaton)

קבל-העל Eaton PHVL-3R9H474-R (איור 3‏, שמאל), הוא התקן של‏ 470 מילי-פאראד (mF‏), 3.9 וולט‏, עם תאים כפולים. יש לו‏ התנגדות טורית אפקטיבית (ESR‏) נמוכה מאוד של‏ 0.4 אוהם (Ω‏) כדי להפחית הפסדי מוליכות, והוא יכול לספק הספק שיא של ‎9.5 W. יש לו תחום טמפרטורות עבודה של 40°C- עד 65°C+. כמו קבלי-העל שדנו בהם, הוא מדורג ל-500,000 מחזורי טעינה/פריקה. המארז הפיזי הוא בגובה 14.5 מ"מ (.0.571‎ in), אורך 17.3 מ"מ (.‎0.681 in) ורוחב 9 מ"מ (.‎0.354 in).

חבילות קבל-על מודולריות יכולות לספק כמויות משמעותיות של אנרגיית‏ גיבוי. ל-Eaton XLR-16R2507B-R (איור 3‏, ימין) יש קיבוליות של‏ 500‎ F‏ ועובד עם מתח מקסימלי של‏ ‎16.2 V. למודול יש ESR‏ של‏ 1.7 מילי-אוהם (mΩ‏) ויכול לספק הספק שיא של‏ 38.6 קילו-וואט (kW‏‏). תחום טמפרטורות העבודה הוא ‎-40°C עד ‎+65°C (טמפרטורת תא)‎. המארז הוא בגובה 177 מ"מ (.6.97‎ in), אורך 417 מ"מ (.‎16.417 in) ורוחב 68 מ"מ (.‎2.677 in).

קבלי-על היברידיים

מאמצים לשלב את המאפיינים של‏ קבלי-על וסוללות ליתיום-יון הניבו קבל-על היברידי הנקרא קבל הליתיום-יון (LiC). זה מגדיל את צפיפות האנרגיה של קבל-העל תוך שהוא עדיין מציע זמני תגובה מהירים יותר מאשר סוללה. ל-LiC יש מבנה‏ א-סימטרי ומשתמש באנודת גרפיט מוחדרת-ליתיום וקתודת פחם פעיל (איור 4‏).

איור 4‏: קבל-העל ההיברידי מגלם את מאפייני קבל-העל וסוללת ליתיום-יון. יש לו מספר מוגדל של מחזורי ‏טעינה/פריקה בהשוואה לסוללה וקצבי פריקה גבוהים יותר. (מקור תמונה: Eaton)

המבנה של קבל-העל ההיברידי ממזג את האופי האלקטרוכימי של סוללת הליתיום עם התכונות האלקטרוסטטיות של קבלי-העל, כדי לספק תועלת בולטת למתכננים. תנועת המטען היא תהליך אלקטרוכימי ב-LiC, אבל היא נעשית עם פחות עומק מאשר בסוללה, וכתוצאה מכך מקבלים מספר מוגדל של מחזורי ‏טעינה/פריקה וקצבי פריקה גבוהים יותר. פרופיל הפריקה המתקבל דומה מאוד לזה של קבל-העל.

לדוגמה, ה-HS1016-3R8306-R‏ הוא קבל-על היברידי‏ 30‎ F,‏ 3.8‎ V‏, ארוז במארז גלילי עם הדקים רדיאליים. יש לו ESR‏ של‏ 0.55‎ Ω ויכול לספק הספק שיא של‏ 6.6‎ W. תחום טמפרטורות העבודה שלו הוא 15°C- עד ‎70°C+, ויש לו תחום עבודה מורחב של ‎15°C- עד ‎85°C+ בעבודה עם ירידת ביצועים במתח של 3.5‎ V או פחות. יש לו‏ אורך חיים מדורג של‏ 1,000 שעות במתח מדורג וטמפרטורת עבודה מקסימלית. מידות המארז הן 18‏ מ"מ (.0.709‎ in) גובה ו-‏10.5 מ"מ (.0.413‎ in) קוטר. כמו קבל-העל, הוא מדורג ל-500,000 מחזורי טעינה/פריקה.

תרשימי אנרגיה וצפיפות הספק

התפלגויות האנרגיה וצפיפות ההספק של התקני אחסון אנרגיה מציעות תובנה ניכרת לגבי התועלת שלהם ומשך הפעולה היעילה שלהם (איור 5‏).

איור 5: תרשים צולב של צפיפות אנרגיה לעומת צפיפות הספק‏ של התקני סוללה וקבל-על מספק תובנה לגבי משך פעולתם. (מקור תמונה: Eaton)

הגרף משרטט צפיפות אנרגיה לעומת צפיפות הספק. היחס של‏ פרמטרים אלה מניב זמן, שמשורטט גם כן על הגרף. התקנים עם צפיפות אנרגיה גבוהה אך צפיפות הספק נמוכה נמצאים בפינה העליונה השמאלית. אלה כוללים תאי דלק וסוללות. התקנים עם צפיפות הספק גבוהה אך צפיפות אנרגיה נמוכה, כמו קבלים מסורתיים וקבלי-על, תופסים את הפינה התחתונה הימנית. קבלי-על היברידיים מתאימים בין שתי קבוצות אלו. שים לב למשך זמן העבודה של כל אחד מהם; קבלי-העל עובדים במשך‏ שניות, קבלי-על היברידיים במשך דקות וסוללות במשך שעות או יותר.

יישומי אחסון אנרגיה

התקני אחסון אנרגיה מספקים כוח כשאספקת-הכוח העיקרית אובדת. דוגמה‏ טובה היא אספקת כוח גיבוי עבור זיכרון מחשב. סוללות היו בשימוש בעבר, אך קבלי-על מוצאים כעת את דרכם לתוך יישום זה בגלל מספרי מחזור הטעינה/טעינה-מחדש הגבוהים משמעותית שלהם. יתרה מזאת, עם קבלי-על, אין צורך להחליף סוללות אחרי שנה של‏ פעילות.

קבלי-על משמשים גם בתכני IoT‏ ו-IIoT‏ המסתמכים על קצירת אנרגיה. הם מוצאים יישומים דומים בכלי רכב, היכן שהם אוגרים אנרגיה שהוחזרה מבלימה.

קבלי-על מספקים יציאת הספק גבוה לפרקי-זמן קצרים. הם ניתנים ליישום כספק כוח ‘מעבר‏’ בהתקנות קריטיות החייבות לגשר על השיהוי של כעשר שניות עד שגנרטור חירום יכול להיכנס למצב מקוון. קבל-העל נטען מחדש בערך באותו פרק זמן כפרק זמן השימוש ויכול להיות חזרה מקוון מהר לאחר אובדן אנרגיה.

סיכום

קבלי-על מספקים פעולה משלימה לסוללות במרבית יישומי אחסון אנרגיה. רמות הכוח הגבוהות יותר והזמינות המיידית, וזמני טעינה-מחדש מהירים, עושים אותם לאידיאליים עבור תמיכה בצריכת חשמל לטווח קצר. המספר הגבוה של מחזורי טעינה/טעינה-מחדש שיכול להיות להם ללא דגרדציה בביצועים מפחית תחזוקת החלפת סוללות ועלויות מלאי.