ตัวเก็บประจุยิ่งยวด: อุปกรณ์เก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพ

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้าที่สามารถเก็บประจุไฟฟ้าจำนวนมาก ต่างจากตัวต้านทานที่กระจายพลังงานเป็นความร้อน ตัวเก็บประจุยิ่งยวดเก็บพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยที่ไม่จำเป็นต้องสูญเสียพลังงาน โครงสร้างพื้นฐานของตัวเก็บประจุยิ่งยวดประกอบด้วยแผ่นตัวนำไฟฟ้าแบบขนานสองแผ่นคั่นด้วย วัสดุฉนวนที่เรียกว่า ไดอิเล็กทริก

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเก็บพลังงานด้วยการสะสมประจุไฟฟ้า และปริมาณประจุที่เก็บได้จะเป็นสัดส่วนตรงกับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายข้ามแผ่นเช่น สมการที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้า (Q), แรงดันไฟฟ้า (V) และค่าความจุไฟฟ้า (C) คือ \( Q = C \times V \) โดย Q คือ ประจุไฟฟ้าในหน่วยคูลอมบ์ C คือ ค่าความจุไฟฟ้าในหน่วยฟารัด และ V คือ แรงดันไฟฟ้าในหน่วยโวลต์ ค่าความจุไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะแสดงความสามารถในการเก็บประจุ โดยค่าความจุที่สูงขึ้นจะทำให้สามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้มากขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

หน่วยค่าความจุไฟฟ้าคือ ฟารัด (F) ตั้งตามชื่อของไมเคิล ฟาราเดย์ โดยหนึ่งฟารัดกำหนดเป็นค่าความจุของตัวเก็บประจุ ที่ต้องใช้ประจุหนึ่งคูลอมบ์ในการสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าหนึ่งโวลต์ระหว่างแผ่น แต่ในการใช้งานจริง ค่าฟารัดมักใหญ่เกินไป ดังนั้นหน่วยที่เล็กกว่าเช่น ไมโครฟารัด (μF), นาโนฟารัด (nF) และพิโกฟารัด (pF) จึงถูกใช้กันทั่วไปมากกว่า

ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือที่รู้จักในชื่อซูเปอร์คาปาซิเตอร์ แตกต่างจากตัวเก็บประจุทั่วไปตรงที่มีค่าความจุไฟฟ้าตั้งแต่ไม่กี่มิลลิฟารัด (mF) ไปจนถึงหลายสิบฟารัด ทั้งหมดอยู่ในขนาดที่กะทัดรัด ค่าความจุที่สูงขึ้นนี้ทำให้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

พลังงานในตัวเก็บประจุสามารถคำนวณได้ด้วยสมการ \( E = \frac{1}{2} C V^2 \) โดย E แทนพลังงานในหน่วยจูล C คือ ค่าความจุไฟฟ้าในหน่วยฟารัด และ V คือ แรงดันไฟฟ้าข้ามแผ่นตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามารถเก็บพลังงานได้มาก เพราะโครงสร้างมีพื้นที่แผ่นนำไฟฟ้าขนาดใหญ่ และมีการแยกแผ่นน้อยที่สุด

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์แบบเหลวระหว่างขั้วไฟฟ้า ซึ่งต่างจากตัวเก็บประจุทั่วไปที่ใช้วัสดุฉนวนแข็ง การออกแบบนี้ทำให้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดมีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกับตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ แต่จะไม่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นระหว่างการเก็บพลังงานในตัวเก็บประจุยิ่งยวด ทำให้พวกมันเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าสถิตที่แท้จริง สามารถเก็บพลังงานในรูปแบบของสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้านำไฟฟ้าสองขั้วได้

ขั้วไฟฟ้าในตัวเก็บประจุยิ่งยวดทำมาจากคาร์บอนนำไฟฟ้าที่ถูกกระตุ้น, ท่อนาโนคาร์บอน หรือเจลคาร์บอน วัสดุเหล่านี้ทำให้พื้นที่ผิวมีขนาดใหญ่ เพิ่มความสามารถของตัวเก็บประจุในการเก็บประจุ เมมเบรน กระดาษที่มีรูพรุน หรือที่เรียกว่า เซปพาเรเตอร์ จะแยกอิเล็กโทรดออกจากกัน ในขณะที่ปล่อยไอออนบวกให้ผ่าน และปิดกั้นอิเล็กตรอน ทั้งตัวแยกและอิเล็กโทรดคาร์บอนถูกชุบด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลว และอลูมิเนียมฟอยล์ทำหน้าที่เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้า โดยเชื่อมต่อตัวเก็บประจุยิ่งยวดกับวงจรภายนอก

ในบางครั้งตัวเก็บประจุยิ่งยวดจะถูกเรียกว่า ตัวเก็บประจุแบบสองชั้น" (double-layer capacitors) เนื่องจากการก่อสร้างของมันที่สร้างตัวเก็บประจุสองตัวต่ออนุกรม โดยแต่ละตัวจะอยู่ที่ขั้วคาร์บอนแต่ละด้าน การออกแบบนี้ทำให้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดมีค่าความจุสูงในขณะที่ยังคงมีขนาดกะทัดรัด

อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุยิ่งยวดมีข้อจำกัด: ความสามารถในการรับแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุยิ่งยวดค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 1 ถึง 3 โวลต์ต่อเซลล์ ค่าพิกัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ตัวเก็บประจุยิ่งยวดถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าที่ทำให้อิเล็กโทรไลต์สลายตัวเป็นหลัก หากต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น จะต้องเชื่อมต่อเซลล์ตัวเก็บประจุยิ่งยวดหลายเซลล์ต่ออนุกรม ในทางกลับกัน หากต้องการเพิ่มค่าความจุ สามารถเชื่อมต่อเซลล์แบบขนานกันได้

แรงดันไฟฟ้าทั้งหมดและค่าความจุไฟฟ้าของแคปแบงค์สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรดังนี้:

- แรงดันไฟฟ้ารวม: \( V_{\text{total}} = N \times V_{\text{cell}} \)

- ค่าความจุไฟฟ้ารวม: \( C_{\text{total}} = \frac{C_{\text{cell}}}{M} \)

โดยที่ \( V_{\text{cell}} \) และ \( C_{\text{cell}} \) คือ แรงดันไฟฟ้าและค่าความจุไฟฟ้าของเซลล์เดียว N คือ จำนวนเซลล์ที่เชื่อมต่อกันในแบบอนุกรม และ M คือ จำนวนเซลล์ที่เชื่อมต่อกันในแบบขนาน ตัวเก็บประจุยิ่งยวดเหมือนกับแบตเตอรี่ที่มีขั้วไฟฟ้ากำหนดไว้ โดยมีขั้วบวกที่ถูกระบุบนตัวเก็บประจุยิ่งยวด

พิจารณาตัวอย่างที่ต้องการใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวด 5.5 โวลต์ 1.5 ฟารัดเป็นแบตเตอรี่สำรองพลังงานสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ หากตัวเก็บประจุยิ่งยวดสร้างจากเซลล์ที่มีค่า 2.75 โวลต์ 0.5 ฟารัด ต้องเชื่อมต่อเซลล์สองเซลล์ต่ออนุกรมเพื่อให้ได้แรงดัน 5.5 โวลต์ที่ต้องการ จากนั้น เพื่อให้ได้ค่าความจุที่ต้องการ ต้องเชื่อมต่อชุดเซลล์อนุกรมเหล่านี้หกคู่ (รวมทั้งหมด 12 เซลล์) แบบขนานกัน กลายเป็นอาร์เรย์อัลตราคาปาซิเตอร์แบบ 6x2

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปแบบของประจุในสนามไฟฟ้าระหว่างแผ่น เมื่อชาร์จ กระแสไฟฟ้าจะไหลเข้าสู่ตัวเก็บประจุยิ่งยวดและพลังงานจะถูกเก็บไว้ เมื่อชาร์จเต็มแล้ว ตัวเก็บประจุยิ่งยวดจะรักษาแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วไฟฟ้า และเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้จนกว่าจะต้องใช้ เมื่อปล่อยพลังงาน ตัวเก็บประจุยิ่งยวดจะปล่อยพลังงานที่เก็บไว้เป็นกระแสไฟฟ้าเพื่อจ่ายให้โหลด

ที่เชื่อมต่อ ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้จะแปรผันตามค่าความจุไฟฟ้าและกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้ว

ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่มีค่า 5.5 โวลต์ 1.5 ฟารัดจะเก็บพลังงานประมาณ 22.7 จูล พลังงานนี้จะถูกเก็บไว้ในรูปของประจุในอิเล็กโทรไลต์ดีเล็กทริกจนกว่าจะถูกปล่อยออกมา ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่เหมาะสมจะไม่ใช้พลังงาน แต่จะเก็บและปล่อยพลังงานได้ตามต้องการ

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่มีค่าความจุสูงและแรงดันไฟฟ้าสูงมีความหนาแน่นของพลังงานที่สำคัญ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย พวกมันถูกใช้งานในยานพาหนะไฟฟ้าแบบไฮบริด รวมถึงรถยนต์ Formula 1 ในฐานะอุปกรณ์เก็บพลังงานสำหรับระบบเบรกแบบรีเจนเนอเรทีฟ (regenerative braking systems) ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามารถดูดซับและปล่อยพลังงานได้อย่างรวดเร็วในระหว่างการเบรกและการเร่งความเร็ว นอกจากนี้ยังถูกนำมาใช้ในระบบพลังงานหมุนเวียนเป็นตัวทดแทนแบตเตอรี่ตะกั่วกรด

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากมีความจุสูง และส่งพลังงานได้ไว จึงเป็นส่วนประกอบที่มีคุณค่าในเทคโนโลยีสมัยใหม่