Elektrische energieopslag in een elektrisch of magnetisch veld

Opslag in een veld

Elektrische energie kan worden opgeslagen in een elektrisch of een magnetische veld. In het eerste geval wordt elektrische energie opgeslagen in een condensator, in het tweede geval in een spoel.

Condensator

Een condensator bestaat uit twee elektroden gescheiden door een isolerende laag. De figuur geeft een capaciteit bestaande uit twee vlakke platen met een oppervlak A.

De waarde van de capaciteit van een condensator, gevormd door twee vlakke platen, gescheiden door een isolatiemateriaal, wordt gegeven door de waarde C in de figuur. Hierin is ε_o de elektrische constante (permittiviteit van vacuüm: ε_o = 8.854x10-12 F/m), ε_r is de diëlektrische constante van het isolerende materiaal tussen de platen, A is het oppervlak van de plaat en d de afstand tussen de platen .

Door tegengestelde ladingen op de elektrodeplaten aan te brengen ontstaat er een spanning V tussen de platen. De waarde Q in de figuur is dan de energie die in de capaciteit wordt opgeslagen. De opgeslagen energie Q is evenredig met de waarde van de capaciteit C en met spanning V in het kwadraat. Een grote waarde van de capaciteit wordt verkregen door tussen de platen een materiaal met een hoge diëlektrische constante op te nemen en door platen met een groot oppervlak (grote A) die zeer dicht tegenover elkaar staan (kleine d). Hoe dicht de platen tegen elkaar kunnen staan wordt bepaald door de bedrijfsspanning en door doorslagveldsterkte van het isolatiemateriaal, dit materiaal moet de spanning kunnen houden. De opgeslagen energie is evenredig met de spanning in het kwadraat, de spanning op de capaciteit wordt beperkt door de doorslagveldsterkte van het isolatiemateriaal tussen de platen.

Tussen de platen heerst een elektrisch veld E (E = V/d). De energiedichtheid Q_v van de condensator, de energie per volume-eenheid, wordt bepaald door de elektrische veldsterkte en wordt eveneens in de figuur gegeven. Hoe hoger de diëlektrische constante ε_r en de elektrische veldsterkte E, hoe hoger de energiedichtheid. De elektrische veldsterkte wordt begrensd door de doorslagveldsterkte van het isolatiemateriaal tussen de platen.

Behalve door vlakke platen kan een condensator op allerlei manieren worden gevormd, vaak zijn ze cilindrisch opgebouwd. Typische waarden van condensatoren geschikt voor opslag van elektrische energie zijn: capaciteitswaarde van 2 μF tot 2 F bij spanningen van 5 tot 7 Volt. De specifieke energie van een condensator kan oplopen tot 20 kJ/kg (6 Wh/kg), het specifiek vermogen tot 2000 kW/kg of hoger.

Supercondensator

Een supercondensator bestaat uit twee elektroden van een poreus korrelig materiaal gescheiden door een separator. Door een poreuze elektrode te kiezen met een groot specifiek oppervlak ontstaat een condensator met een hoge capaciteit. Zowel de separator als de elektroden zijn gevuld met een elektrolyt. Bij het laden van de supercondensator ontstaat een ladingsscheiding op het grensvlak tussen de elektrode en het elektrolyt. Bij iedere elektrode ontstaat zo een dubbellaag van gescheiden ladingdragers van zeer geringe dikte, ongeveer 1 nanometer. Het grote oppervlak van de grenslaag leidt tot hoge capaciteitswaarden; duizenden Farad. Een capaciteit van 100 F per gram is mogelijk met koolstofmaterialen die een specifiek oppervlak van meer dan 10 vierkante meter per gram hebben. Vaak wordt voor het korrelige elektrodemateriaal actief kool gebruikt. Bij het laden en ontladen treden alleen fysische processen op en geen chemische, de responstijden zijn daardoor laag en de levensduur hoog. De maximale spanning die over de condensator gezet kan worden is laag en bedraagt meestal maar enkele volts. Het rendement van laden en ontladen is hoog en ligt rond de 90 procent.

Spoel

Een spoel bestaat uit een aantal wikkelingen van geleidend draad rond een kern. De figuur geeft een beeld van een cilindrische spoel bestaande uit drie wikkelingen met straal R.

De inductiviteitswaarde van een cilindrische spoel met straal R en N wikkelingen wordt gegeven door de waarde L in de figuur. Hierin is F een vormfactor die afhangt van de constructie van de spoel. Door een gelijkstroom I door de spoel te sturen kan er een elektrische energie Q worden opgeslagen in een magnetisch veld. De waarde Q van de opgeslagen energie wordt gegeven in de figuur. De opgeslagen energie is evenredig met de inductiviteitswaarde van de spoel L en met de stroom I door de spoel in het kwadraat.

Door de stroom in de spoel wordt een magnetisch veld H binnen de spoel opgewekt. De energiedichtheid Q_v in de spoel, de energie per volume-eenheid, wordt bepaald door de magnetische veldsterkte H en wordt ook in de figuur gegeven. Hierin is μ_o de magnetische constante (magnetische permeabiliteit van vacuüm, μ_o = 4 π 10^-7 H/m), μ_r is de relatieve permeabiliteit. Hoe hoger de relatieve permeabiliteit van de spoel en hoe hoger de magnetisch veldsterkte, hoe hoger de energiedichtheid. De veldsterkte H is evenredig met het aantal wikkelingen N van de spoel en met de stroom I door de spoel.