Resumen
En este trabajo presentamos un análisis de los
principales aspectos de la transición de energía
limpia, incidiendo particularmente en los dispositivos de
almacenamiento de energía para las aplicaciones de
transporte, las cuales deberían actuar como palanca
inicial con la extensión de vehículos con motores
alimentados por baterías. Haremos especial énfasis
en los sistemas eléctricos de almacenamiento el
funcionamiento, aplicación de Supercondensadores y
discutiremos las contribuciones aportadas por las investigaciones
del autor.
Abstract: We present an analysis of
key aspects of the clean energy transition, focusing particularly
on energy storage devices for transportation applications, which
should act as a lever extending initial vehicles with engines
powered by batteries. We emphasis on storage power systems
operation, application of supercapacitors and discuss the
contributions made by the author's research.
Palabras clave: fundamentos
teóricos, ultacapacitores, dimensionamiento de
ultracapacitores.
Marco
teórico
1.1.- INTRODUCCIÓN.
La batería es uno de principales modos de
almacenar energía. Los ultracapacitores son elementos de
última tecnología que permiten almacenar
energía suficiente, en cortos períodos de tiempo,
para controlar fenómenos de potencia de punta como la
aceleración o el frenado repentino de un vehículo
eléctrico, tienen mayor vida útil. Un
ultracapacitor es un componente electrónico pasivo que se
compone por dos placas de metal, que al recibir electricidad,
almacenan una parte de ella durante un tiempo. No tiene ni partes
móviles ni procesos químicos. Los ultracapacitores
son útiles en vehículos híbridos, estos
vehículos utilizan motores eléctricos y
baterías para ayudar a un motor convencional de gasolina.
Las baterías de un vehículo híbrido
también pueden capturar una pequeña parte de la
energía que usualmente se pierde en forma de calor cuando
se pisan los frenos. Puesto que los ultracapacitores pueden
cargarse y descargarse rápidamente sin dañarse, es
posible diseñar vehículos híbridos que hagan
un mayor uso de un motor eléctrico
1.2.- ULTRACAPACITORES.
Un capacitor es un elemento pasivo de circuito
eléctrico con dos terminales formado por dos placas
conductoras separadas por un aislante, donde se almacena
energía eléctrica debido al paso de las corrientes
de una placa a otra a través del aislante. Los
supercapacitores también conocidos como (capacitores
eléctricos de doble capa), capa (EDLCs) o
ultracapacitores, son capacitores que tienen una densidad de
energía inusualmente alta en comparación con los
capacitores comunes, generalmente miles de veces mayor que un
capacitor electrolítico de alta capacidad. Un EDLC del
mismo tamaño tendría una capacidad de varios
Faradios (F), una mejora de alrededor de dos o tres
órdenes de magnitud en la capacidad, pero generalmente a
un menor voltaje de trabajo. Los EDLCs comerciales cuentan con
capacidades tan altas que pueden superar los 5000 F. El primer
supercapacitor fue ofrecido por Standard Oil of Ohio (SOHIO) en
1969, con una interfaz de carbono y solución
electrolítica de sal de tetralquilamonio. A final de los
ochenta se desarrolló el primer supercapacitor de un
faradio, y compañías rusas a principios de los
noventa presentaron el primer supercapacitor que superaba los
cien faradios. Los principales productores son Panasonic y
Maxwell Tecnologies. Figura 1.1. Supercapacitores con capacidad
de más de 3000 Faradios. Se ocupan actualmente para
diseño de sistemas de potencia para la
estabilización de voltaje, por lo que encontramos
supercapacitores de 1500 y 3000 faradios, con un peso que va del
kilo y medio a los tres kilogramos. Continúa la
investigación en autos híbridos y su uso en
sistemas de energía solar y eólica.
Figura. 1.1 Supercapacitores (con
capacidad de más de 3000 Faradios) producidos por Maxwell
Technologies
1.2.1.- PRINCIPIO DE PSEUDOCAPACITANCIA.
La pseudocapacitancia es el l almacenamiento de
energía está asociado a la acumulación de
carga eléctrica entre las láminas del condensador
gracias al medio aislante
La pseudocapacitancia es un fenómeno dependiente
de la tensión, con lo que por lo tanto se posee una
capacitancia variable que debe ser modelada adecuadamente. Sin
embargo, los rangos de tensión en que son utilizados los
supercondensadores permiten su manejo como un condensador
convencional con un valor alto de capacitancia y resistencias e
inductores. Además se aumenta la capacitancia con una
delgada capa de material aislante entre las caras de
carbono.
1.2.1.1.- Clasificación y Elaboración de
Supercondensadores.
Los supercondensadores actualmente se clasifican de
acuerdo con los materiales de los que se encuentran elaborados.
Actualmente se distinguen de acuerdo con Zhou (2) y Dinh –
Nguyen (4) principalmente cuatro tipos:
1.2.1.2.- Supercapacitores electrolíticos de
interfaz de carbono de doble capa.
Los principales son los que utilizan hidróxido de
sodio y potasio o ácido sulfúrico. En ellos la
disolución se disocia en iones positivos de sodio o
potasio, que ante la presencia de voltaje por aumento de la
atracción entre cargas se acumula una mayor energía
eléctrica.
1.2.1.3.- Supercapacitores no electrolíticos de
interfaz de carbono de doble capa.
Los principales son los que son elaborados como
aerogeles, soles, los de nanotubos de carbono y carbón
activado. Los soles son dispersiones de partículas
sólidas en líquido que se encuentran
indefinidamente en movimiento browniano. En cambio un gel es un
sólido que posee una gran
Cantidad de líquido y una estructura que permite
que se encuentren ambas fases combinadas. Para la
formación de soles para capacitores se forma el
óxido de metal elegido en agua, sea a altas temperaturas o
con un exceso de base para formar el sol. Posteriormente el sol
es gelado por deshidratación o aumento de pH.
También se pueden formar soles orgánicos con
resorción en formaldehido. El resultado de los procesos es
la formación de un material homogéneo muy poroso
que permite una alta capacitancia. Si el sol es combinado con la
interfaz de carbono se calcula que puede alcanzarse una
capacitancia de 400 faradios por gramo (6)
1.2.1.4.- Supercapacitores acuosos de óxido de
doble capa con pseudocapacitancia redox.
Los principales son los de óxido de litio,
bióxido de rutenio, bióxido de iridio, óxido
de cobalto y bióxido de manganeso. Los supercapacitores
pueden fabricarse siguiendo la metodología de la
sección anterior para elaborar un sólido. Otra
forma de obtenerlo es por la deposición de un óxido
metálico por medio de un procedimiento de
electrólisis. En la investigaciones donde se han alcanzado
capacitancias de 400 F/g con óxido de rutenio (7).
Supercapacitores más rentables de alrededor de 50 F/g se
han logrado con óxido de níquel (6).
1.2.1.5.- Supercapacitores de polímeros
conductores.
Se define como polímero conductor como una
sustancia orgánica que conduce la electricidad de manera
parecida a la de un metal, buena reversibilidad entre estado
conductor y no conductor y flexibilidad mecánica. Los
principales son los de politiofeno, polipirrol y polianilina.
Tienen una densidad de energía mayor a 500 Watts por
kilogramo, y aún se estudian sus propiedades de
capacitancia.
1.2.2.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS
ULTRACAPACITORES.
1.2.2.1.- Ventajas.
a. Los ciclos de carga.
Los supercapacitores pueden cargarse y descargarse
cientos de miles (incluso millones) de ciclos sin perder
rendimiento. Las pilas solo funcionan correctamente con una
cantidad limitada de ciclos de carga/descarga.
b. Los períodos de carga.
Como sabemos, las baterías se basan en reacciones
químicas, y el tiempo requerido para su carga suele ser
largo. Por el contrario los supercapacitores se cargan y
descargan muy rápidamente.
c. El tamaño y peso.
Los supercapacitores son mucho mas livianos que Las
baterías d. Impedancia baja. Realza la dirección
actual del pulso en paralelo a una batería
electroquímica.
d. Métodos simples de la
carga.
El voltaje limitación del circuito compensa para
la autodescarga.
e. Almacenaje rentable de la
energía.
Una densidad más baja de la energía es
compensada por una cuenta de ciclo muy alta.
1.2.2.2.- Desventajas.
a. Densidad energética.
Normalmente los supercapacitores almacenan entre una
quinta y una décima parte de lo correspondiente a una
pila.
b. Liberación de
energía.
Las baterías liberan la energía de forma
lenta y durante un período de tiempo más largo,
mientras que los supercapacitores liberan su carga muy
rápidamente.
c. Incapaz de utilizar el espectro de
energía completo.
Dependiendo del uso, no toda la energía
está disponible.
d. Las células tienen bajas
tensiones.
Las conexiones seriales son necesarias para obtener
voltajes más altos. Se requiere balancear el voltaje si
más de tres condensadores están conectados en
serie.
e. Alta autodescarga.
La autodescarga es considerablemente más alta que
la de una batería electroquímica. Por la
naturaleza, el voltaje que limita el circuito compensa para la
autodescarga. El supercapacitor se puede recargar y descargar
virtualmente un número ilimitado de veces. Su tasa de auto
descarga es muy alta, pierden la mitad de la carga en un
mes
1.3.- APLICACIONES DE LOS ULTRACAPACITORES.
La investigación en supercapacitores se encuentra
motivada por las enormes ventajas que su uso representa para el
desarrollo de circuitos eléctricos:
Gran período de operación.
Capacidad de manejar altos valores de
corriente.Valor de carga fácil de
monitorear.Alta eficiencia.
Gran rango de voltaje.
Gran rango de temperatura.
Ciclos de funcionamiento largos.
Facilidad de mantenimiento.
1.3.1.- ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA.
Uno de los usos más extendidos de
supercapacitores es en el uso de sistemas
microelectrónicos, memorias de computadoras, relojes y
cámaras de alta precisión. El uso de
supercapacitores permite mantener el funcionamiento de los
dispositivos durante horas e incluso días. Una
aplicación estudiada ampliamente en la actualidad es el
uso de supercapacitores en sistemas UPS (sistema de
energía ininterrumpible), permitiendo el aislamiento de
los sistemas UPS para el funcionamiento de sistemas
eléctricos.
1.3.2.- SISTEMAS DE TRANSFERENCIA DE
POTENCIA.
Los supercapacitores son de gran importancia para la
transferencia de energía. Los sistemas STATCOM
(Compensadores Estáticos) son dispositivos de
transmisión de corriente flexible alternante, y se utiliza
para el control de los picos de voltaje en sistemas
eléctricos. Su uso permite mantener una corriente
constante y menores picos de voltaje para facilitar la
transmisión de la energía
eléctrica.
Los ultracapacitores prometen llenar la brecha entre los
capacitores y baterías.
Dimensionamiento
o cálculo de ultracapacitores
2.1.- DIMENSIONAMIENTO DEL BANCO DE
ULTRACAPACITORES.
Para el dimensionamiento de la cantidad de
Ultracapacitores se deben considerar varios aspectos. Los
más importantes son la capacidad, la tensión
nominal y máxima, la resistencia interna y las corrientes
de carga y consumo donde vamos aplicar.
Tenemos que evaluar y considerara las limitaciones del
motor, las tensiones con que trabaja y la capacidad que se
requiere para lograr el objetivo planteado para el equipo.
Ecuación de la cantidad de energía.
2.2.1.- CÁLCULO DE LA TENSIÓN
NOMINAL.
Por lo tanto, no tiene objeto instalar un banco de
ultracapacitores con una tensión nominal mayor que el
voltaje de las baterías, porque parte de su capacidad de
almacenar energía siempre permanecerá inutilizada.
Por otro lado, si la tensión máxima del paquete de
ultracapacitores es despreciable o demasiado pequeña en
relación a la de las baterías, se corre el riesgo
de sobrecargar los primeros con su consiguiente
destrucción. Entonces es deseable que la tensión
máxima de los ultracapacitores sea similar a la
tensión mínima de las baterías para tener la
menor capacidad inutilizable posible. Obtención del
voltaje total
2.2.2.- CÁLCULO DE LA CAPACITANCIA DE LOS
ULTRACAPACITORES.
En la capacidad de los ultracapacitores, lo
óptimo es adquirir condensadores de capacidad similar a la
que se necesita utilizar. Por otro lado, se puede calcular la
cantidad de energía podría considerarse como la
máxima cantidad que deberían entregar los
ultracapacitores en un período de potencia de punta por
sobre la energía media que entrega la batería. Este
valor se calcula como la energía cinética que lleva
el vehículo a su velocidad crucero, expresado en la
siguiente ecuación.
Cálculo de la energía cinética que
lleva el vehículo a su velocidad crucero.
2.2.3.- ULTRACAPACITORES EN SERIE.
Para los capacitores en serie, la carga es la misma en
todos ellos.
Obtención de la carga total
QT = Q1 = Q2 = Q3 (2.5)
Q = Carga
Al aplicar la ley de tensiones de Kirchhoff en el lazo
cerrado se tiene:
E = V1 +V2 + V3 (2.6)
Dónde:
Vt = E Voltaje total (Voltios).
V1, V2, V3= Voltajes nominales.
Entonces:
Q = C x V (carga = capacidad x voltaje)
Dónde:
Q= está en culombios
C= está en faradios
V= está en voltios
Pero:
Que es similar al modo en que se determina la
resistencia total de un circuito resistivo en paralelo. La
capacitancia total de dos capacitores en serie.
Capacitancia total de capacitores en serie.
2.2.4.- CARGA Y DESCARGA DE LOS
ULTRACAPACITORES.
Cuando al ultracapacitor le aplicamos una diferencia de
potencial este se carga, ya que al no estar las dos placas
metálicas unidas entre sí directamente, sino por
medio de una batería o pila, cada una de las placas se
cargará con electricidad positiva o negativa, debido a que
una de las placas cederá electrones para que la otra los
gane.
2.2.4.1.- Carga de los Ultracapacitores.
La carga se debe a un flujo de electrones que va
hacía a una de las placas desde la otra, dando por
resultado una placa con carga negativa y otra con carga positiva.
Este proceso no es instantáneo sino que se va realizando
paulatinamente, dependiendo la mayor o menor rapidez del mismo de
la capacidad del ultracapacitor y de la resistencia del
circuito.
2.2.4.2.- Descarga de los Ultracapacitores.
Normalmente en un circuito, los ultracapacitores se
cargarán y se descargarán a través de
resistencias. Esto se produce según una constante de
tiempo y dependiendo de la resistencia y de corriente que le
administremos según T= R – C.
Siendo T el tiempo, R el valor, R el valor de la
resistencia en Ohmios y C el valor del ultracapacitor en
Faradios. En una constante de tiempo K el ultracapacitor se carga
aproximadamente un 63%, en la segunda constante de tiempo se
carga otro 63%, y así sucesivamente, se considera que el
ultracapacitor está totalmente cargado en 5 constantes de
tiempo. El proceso de descarga es similar al de carga.
Las corrientes de carga y descarga de un Ultracapacitor
comienzan con un valor máximo y van declinando a cero a
medida que el Ultracapacitor se carga del todo o se descarga. En
el caso del Ultracapacitor en carga, las placas descargadas
ofrecen poca oposición a la corriente de carga al
principio, pero a medida que se van cargando ofrecen más y
más oposición. Reduciendo el flujo de
corriente.
? UC = R C 5 (2.11)
Dónde:
? UC= tiempo ultracapacitor (segundos)
R= resistencia (ohm)
C= Capacitancia (Faradios)
K=5
Conclusiones
Los ultracapacitores es una de los principales
investigaciones en la actualidad con las se podría
remplazar a los baterías por su por su alta capacidad de
almacenamiento de carga y descarga en tiempos de muy cortos y su
óptimo rendimiento e los vehículos híbridos.
El principal objetivo de los Ultracapacitores en la actualidad es
apoyar a las baterías durante las aceleraciones y frenado
del vehículo, sin embargo el sistema de control debe
predecir también la necesidad de energía antes de
aceleraciones y dejar espacio para el almacenamiento de
energía.
Los supercapacitores pueden cargarse y descargarse
cientos de miles de ciclos sin perder rendimiento, sin apenas
degradación de los materiales, al contrario de una
batería convencional. Comprobamos que por su tamaño
y peso reducido, los EDLCs, se están adaptando para
almacenar electricidad en vehículos eléctricos,
minimizando el desgaste de las baterías.
Las baterías liberan la energía de forma
lenta y durante un período de tiempo más largo,
mientras que los ultracondensadores liberan su carga muy
rápidamente. En vehículos híbridos, estas
explosiones energéticas vendrían muy bien para
superar obstáculos donde se requiera mas
potencia.
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4. – ENLACES EXTERNOS
www.engadgetdr.com/…/carros-electricos-con-ultracapacitores.html
www.portaldenoticias.com/tag/ultracapacitores
www.autoalias.com/tag/ultracapacitores/ –
España
www.monografias.com ›
tecnología
Autor:
Manuel Godoy Ramón
Ingeniería Electrónica,
Universidad Politécnica Salesiana
Electrónica Digital