6- المكثفات الفائقة Suppercapacitors, or Ultracapacitors :
٠من المؤكد ان الكثيرين قد سمعوا عن المكثفات capacitors التي لايخلوا منها أي جهاز الكتروني للقيام بتخزين وتفريغ الشحنات الكهربائية البسيطة داخل الدائرة لأداء وظيفة معينة ، والتي مكوناتها عبارة عن طرفي توصيل بالإضافة إلى لوحين متوازيين مفصولين بعازل يستخدمان في تخزين الشحنات الكهربائية.
لا تختلف المكثفات الفائقة كثيرا عن العادية ، الا انها تتميز بقدرتها على تخزين شحنات كبيرة جدا مقارنة بالعادية (في حين تصل سعة المكثف العادي إلى رتبة الميكرو فاراد، فإن سعة المكثف الفائق تصل إلى مئات الفارادات) ، وتصنع من رقائق معدنية (أقطاب كهربائية) من مواد معينة بينها عازل للفصل بين الأقطاب لعزل أيونات الإلكتروليت المتواجدة بين أقطابها ، ويدمج المكثف الفائق فكرتي المكثف العادي (تفريغ سريع للطاقة) والبطاريات القابلة لإعادة الشحن (خزن كمية طاقة أكبر) .

تتمتع البطاريات بكثافة طاقة energy density أعلى من المكثفات ، لكن المكثف لديه كثافة قوة power density أعلى من البطارية. هذا يعني أن البطاريات قادرة على تخزين المزيد من الطاقة ، لكن المكثفات يمكن أن تعطي الطاقة بسرعة أكبر بنفس الحجم (يمكن من هنا تمييز الفرق بين المصطلحين :كثافة الطاقة و كثافة القدرة) .
ماذا لو كنا نرغب في تخزين كميات كبيرة من الطاقة ، ولكننا نحتاج أيضًا إلى أوقات الشحن والتفريغ السريعة للمكثف؟ هنا يأتي دور المكثفات الفائقة .

التسيمة Ultracapacitors أو Supercapacitors هي تسمية ليست علمية، بل هي التسمية التجارية ، وهي التسمية التي أطلقتها كل من شركة NEC و شركة Pinnacle على هذا المنتج عند تصنيعه لأول مرة، بينما يبقى الاسم العلمي Electrochemical Capacitor المكثفات الكهروكيميائية هو الاسم الدقيق EC.
وتقنية المكثفات الفائقة ليست جديدة مثلها مثل العديد من التقنيات الحديثة ،
فهي معروفة منذ حوالي 100 عام، لكنها لم تدخل حيز التنفيذ الفعلي إلا منذ عام 1954، عندما قام العالم Becker بتطوير وسيلة تخزين طاقة باستخدام مفهوم الطبقة المضاعفة العازلة. وبحلول عام 1960، قام العالم Sohio بتطوير جهاز يخزن الطاقة باستخدام مفهوم الخلايا الكهركيميائية ذات الطبقة المضاعفة العازلة، إلا أن أول مكثف كهركيميائي EC فعال تم إنتاجه من قبل شركة NEC ، و ذلك في عام 1970.

التقنيات الحديثة التي تظهر غالبا يتم مقارنتها بالبطاريات ، كون هذه الاخيرة هي الاوسع انتشارا والاقدم من ناحية الاستخدام التجاري ويمتلك الانسان خبرة عمل طويلة معها.
تتشابه المكثفات الفائقة (Ultracapacitor ,Suppercapacitors ) والبطاريات في وظيفة تخزين الطاقة الكهربائية ولكن النمطان يختلفان في طريقة التخزين، فالبطاريات تحتاج وسطا كيميائيا لتخزين الطاقة ، والمكثفات تتطلب وسطا فيزيائيا ، وتتميز البطاريات بسعة تخزين اعلى للكهرباء وحجم أقل وجهد شبه ثابت حتى نهاية العمر الافتراضي للبطارية، الا انه من عيوبها آنها تتطلب معادن غير متوفرة بكثرة كالليثيوم مما يرفع التكلفة ويؤثر بالاستدامة ، كما انها تحتاج لوقت اطول لشحنها (حوالي 30 دقيقة لشحن 85٪ من سعتها) ، اما المكثفات فتتميز بسرعة شحن عالية (اقل من 30 ثانية) وتصنع من مواد متوفرة بكثرة وتكلفة اقل وعمر افتراضي شبه لا نهائي ( مليون دورة شحن) على هذا النحو ، فإن المكثفات قادرة على إطلاق الطاقة المخزنة بمعدل أعلى بكثير من البطاريات ، لأن العمليات الكيميائية تحتاج إلى مزيد من الوقت. ضف الى ذلك تعتبر المكثفات صديقة للبيئة مقارنة بالبطارية ويمكن اعادة تدويرها ، كما يمكنها ان تعمل بمجال حراري من -40 الى 65 درجة مئوية مقارنة بالبطاريات والتى تعمل بنطاق شحن من صفر الى 45 درجة مئوية، وهي آمنة تشغيليًا مقارنةً باحتمالية الانفجار والحريق لبطاريات الليثيوم، ولكن يبقى حجم المكثفات وسعتها عائقًا لهذه التقنية مقارنة بالبطاريات، ولكن التطورات الجديدة في علوم المواد مثل الأنابيب النانوية الكربونية والهوائيات ستسد الفجوة في المستقبل القريب.

انواع المكثفات الفائقة:
على أساس آلية تخزين الشحن الخاصة بها يتم تصنيفها إلى ثلاثة أنواع:

1- مكثفات إلكتروستاتيكية مزدوجة الطبقة:
يعمل هذا النوع على آلية تخزين الشحنة حيث يتم تخزين الشحنة فيزيائيا على سطح الأقطاب الكهربائية دون التسبب في أي تفاعلات كيميائية لا رجعة فيها عبر تكوين طبقة كهربائية مزدوجة.

2- المكثفات الزائفة (الفارادية):
تستخدم هذه الأجهزة أقطابًا مصنوعة من مواد نشطة لإعادة الأكسدة مثل أكاسيد المعادن والبوليميرات الموصلة.

3- المكثفات الهجينة:
تجمع بين النوعين السابقين ،وتتكون من أقطاب كهربائية ذات خصائص مختلفة تعتمد على الآليات الكيميائية والكهربائية.

مميزات المكثفات الفائقة وعيوبها:
المميزات:
-كفاءة طاقة عالية مقارنة ببطاريات الليثيوم وخلايا الوقود.
- سرعة في الشحن والتفريغ ، مع فاقد بسيط جدا من الطاقة .
- تحمل الحرارة العالية ، وكذلك المنخفضة جدا.
- عمر دورة طويل ، اي تتحمل عدد كبير من دورات الشحن والتفريغ.
عيوبها:
- تكلفتها العالية.
- الحاجة الى دوائر موازنة الجهد.
- العيب الرئيسي هو أن جهد الخلية منخفض جدًا. يتم توصيل خلايا متعددة في سلسلة لتحقيق جهد أكبر ، مما قد يخلق المزيد من المشكلات. ومع ذلك ، يمكن حل هذه المشاكل عن طريق تقنيات تسوية الحمل وتوازن الجهد.

تُستخدم المكثفات الفائقة في التطبيقات التي تتطلب العديد من دورات الشحن أو التفريغ السريع بدلًا من تخزين الطاقة المدمجة على المدى الطويل، ومن الأمثلة على ذلك: داخل السيارات، والحافلات، والقطارات، والرافعات، والمصاعد،
يمكن أن توفر Ultracapacitors أيضًا دفعة من الطاقة قبل بدء تشغيل محطة للطاقة الشمسية أو التحول إلى مولد احتياطي أثناء انقطاع التيار الكهربائي. يمكن أن توفر Ultracapacitors العديد من نفس خدمات تثبيت الطاقة التي تقوم بها لشبكات الطاقة التقليدية ، وتسهل دمج مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة في الشبكة الحالية.

الأثر البيئي:
مع تزايد المخاوف واسعة النطاق بشأن الرواسب المتزايدة للمعادن السامة حول العالم وتأثيراتها على تغير المناخ ، تقدم المكثفات الفائقة حلاً قويًا وصديقًا للبيئة مقارنة بتخزين الطاقة التقليدي. وعلى عكس البطاريات ، توفر المكثفات الفائقة تخزينًا للطاقة النظيفة دون مخاوف تتعلق بالسلامة ، ولا تحتوي على معادن سامة أو ملحقات أو مكونات إضافية ، وهي أبسط بكثير من حيث إدارة الطاقة.

من العلماء العرب البارزين عالميا في مجال خزن الطاقة عبر المكثفات الفائقة العالم المصري الشاب البروفيسور ماهر القاضي. من مواليد قرية ناهيا بمحافظة الجيزة، لأب بسيط يعمل بالزراعة.
التحق بعد الثانوية بكلية العلوم بجامعة القاهرة، والذي تم تعيينه معيدًا فيها بعد التخرج. كان مهتمًا بعلم "النانو"، وعلوم المجسات الكهربائية والكيمائية، وكان لذلك أثره عليه، حيث نال بحثه الذي نال عنه درجة "الماجستير" على جائزة أفضل رسالة على مستوى أقسام الكلية المختلفة. ومن ثم، بدأ رحلة البحث عن منحة دراسية بالخارج، وبالفعل حصل على منحة بجامعة "كاليفورنيا" التي تعتبر من أكبر المؤسسات العلمية بالولايات المتحدة، وفي عام 2013، برز اسم القاضي في وسائل الإعلام، بعد بحثه عن "المكثفات الفائقة"، والذي تم نشره بمجلة "ساينس" الأمريكية، ومثل حجر زاوية لباحثين آخرين في المجال ذاته، وحصل على المرتبة الـ 14 على مستوى العالم خلال السنوات الأخيرة.

تمكن العالم ماهر القاضي من اكتشاف طريقة لصنع «مكثفات خارقة» وبطاريات يمكن شحنها في ثوان وتدوم لفترات طويلة. وتعتمد فكرة البحث على تصنيع بطارية يمكن شحنها في ثوان، من خلال ابتكار طريقة عملية لاستخلاص مادة "الجرافين"، يقوم من خلالها عوضًا عن تخزين الكهرباء في بطاريات الليثيوم- أيون Lithium-ion إلى تخزينها في المكثفات الفائقة.
ويمكن - وفق اختراع القاضي - استخدام "الجرافين" في صنع بطاريات مناسبة للعمل مع الهواتف والحواسب اللوحية والمحمولة، موضحاً أنه في حال تم طرح تلك البطاريات سيستغرق شحنها عدة ثوان، بمتوسط 30 ثانية، وقد تصمد عملية الشحن الواحدة لعدة أيام في الحواسب المحمولة ولأسابيع في الهواتف والحواسب اللوحية.

وأجرى القاضي أول تجربة ناجحة للدلالة على إمكانية استخدام "الجرافين" في صنع البطاريات والمكثفات الخارقة، بشحن قطعة من المادة لمدة ثلاث ثوان واستخدامها لإضاءة مصباح كهربائي صغير، واستمر المصباح في الإضاءة لمدة خمس دقائق.

ومن المقرر أن يتم تصنيع أول منتج تجاري قائم على اكتشافه، بعد الاتفاق مع شركة "ماكسويل تكنولوجيز" على القيام بذلك، بعد أن وصلته عدة عروض فضل من بينها عرض الشركة الأمريكية، ومن المنتظر أن تكون صناعة بطاريات الهواتف والحواسب هي المرحلة الثانية من مراحل الإنتاج التجاري للمنتجات القائمة على الاكتشاف.

المراجع:
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Energy_density_vs_power_density
https://ar.m.wikipedia.org/wiki/مكثف_فائق
https://www.voltiat.com/difference-between-capacitors/
https://eepower.com/capacitor-guide/applications/energy-storage/
https://electricengg.com/ultracapacitor_liion/
https://www.homeowner.com/energy-science/ultracapacitors
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X22002262
https://ar.m.wikipedia.org/wiki/مكثف_فائق
https://www.4electron.com/2013/12/373/
https://ar.m.wikipedia.org/wiki/ماهر_القاضي
https://www.maherelkady.com/post/amrkhaled-net-ثورة-في-عالم-بطاريات-الهواتف-ماهر-القاضي-صاحب-اختراع-البطارية-الخارقة
https://www.eaton.com/us/en-us/products/electronic-components/topics/supercapacitors-vs-batteries.html

الآن نواصل مع النمط السابع والأخير من أنماط تخزين الطاقة ، وللتنويه هناك غيرها من الانماط لكنها أقل شهرة وأقل انتشارا حاليا ولازالت تحت التطوير والبحث، ولكن ما استعرضناه هي الأكثر شهرة وانتشارا ، وهذا النمط الذي سنتطرق اليه هو الحذافة او العطالة او دولاب الموازنة ، وهذه كلها تسميات لآلة واحدة تسمى بالإنجليزية العجلة الطائرة Flywheel.

7- الحذافة لتخزين الطاقة Flywheel Energy Storage – FES»


الحذافة أو العطالة او دولاب التوازن٠ flywheel هي جهاز يتم عبره تخزين الطاقة عن طريق تحويلها من طاقة كهربائية إلى طاقة ميكانيكية , وذلك اثناء الخزن، والاحتفاظ بها بهذا الشكل ، واعادة تحويلها من طاقة ميكانيكية الى كهربائية اثناء التفريغ , من هذا المبدأ تسمى احيانا ب "البطارية الميكانيكية".
تحتوي أنظمة الحذافة (FES) المتقدمة على عضو دوار او ما يسمى بدولاب الموازنة مصنوع من مركبات ألياف كربون عالية القوة، معلقة بواسطة محامل مغناطيسية، وتدور بسرعات تتراوح من (20000 – 50000) دورة في الدقيقة في حاوية فراغية ، يمكن لهذه الحذافات أن تصل إلى هذه السرعة في غضون دقائق، وتصل لسعة طاقتها بسرعة أكبر بكثير من بعض أشكال تخزين الطاقة الأخرى. مرتبط بدولاب الموازنة الدوار نظام قيادة يعمل كمحرك اثناء شحن الطاقة وكمولد كهرباء اثناء التفريغ ( مثل المحرك /المولد الموجود في نمط التخزين بالضخ Pumped Hydro-electric Storage ) , وتبقى الحذافة بعد الشحن تدور بسرعتها العالية يساعدها في ذلك الحيز المفرغ من الهواء وكراسي التحميل المغناطيسية لمنع الاحتكاك وضياع الطاقة، الى ان يتم تفريغ طاقتها الدورانية على شكل كهرباء وقت الطلب.

للتنويه قد يرى البعض ان جزءا من معلومات هذه القناة قديم ، خاصة المتقدم منها والمتعلق بأكبر محطات الانماط المختلفة، والسبب انني انشأت هذه القناة قبل ثمان سنوات ، والمادة العلمية فيها كنت قد بدأت في اعدادها قبلها بسنة ونصف او سنتين ، يعني في حدود العام 2013 ، والاعوام تمر وتحدث معها تطورات ، ولذلك كنت لا انزل أي منشور الا بعد البحث عن الجديد فيه وبعد تحديثه ، و المستجدات في العلم ، والتطورات لا تتوقف ، ومن انضم للقناة مؤخرا وبدأ في قراءة المنشورات الأولى قد يعتقد ان المعلومات قديمة ، ولكن من يتابع المنشورات اولا بأول سيلاحظ انه أكثر من مرة قد تم انزال تحديثات لمعلومات سابقة صارت قديمة ، والآن ونتيجة للتطورات المتلاحقة وجدت ان هذه التحديثات أيضا صارت قديمة ، فهناك محطات جديدة أخذت بالظهور واحتلت المراكز الاولى ، وما رصدناه سابقا صار في مراكز متأخرة رغم انه كان متصدرا في وقت انزال المنشور ، لهذا سنترك التحديثات للاخير ، والله الموفق.

مكونات الحذافة:
1-نظام تحكم يتحكم بمهام الحذافة (توليد أو تخزين).
2-محرك/مولد motor/generator يعمل كمحرك عند تزويده بفائض الطاقة الكهربائية لتدوير عجلة الحذافة ، وكمولد عند الحاجة للكهرباء بالاستفادة من طاقته الدورانية المحفوظة.
3-عجلة دوارة rotor او flywheel hub.
4-هيكل واقي protective shield.
5- كراسي تحميل bearings علوي وسفلي، وفي بعض الحذافات تكون مغناطيسية Magnetic Bearing ، وتعمل في حيز فراغي ينشأ بواسطة مضخة فراغية vacuum pump لتقليل الاحتكاك لتحقيق سرعات دوران عالية جدا وتدوم طويلا.