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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DEPARTAMENTO DE COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
EL USO DE LOS CAPACITORES ELECTROQUÍMICOS COMO BATERÍAS RECARGABLES PARA DISPOSITIVOS
DE BAJO CONSUMO
Tesis
Que para obtener el grado de: Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica
Presenta:
Felipe Montoya Peña
Asesor: M. en C. Arturo Palacios López
México D.F ,mayo de 2013
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Agradecimientos
A mi madre, por haberme formado, querido y
apoyado, cualquier agradecimiento es
insuficiente.
A mi familia y amigos por compartir
conmigo momentos de diversión, problemas,
conocimientos, actitudes y aprendizaje.
A mis profesores de todos los niveles y
escuelas por dar el 110% de si.
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El uso de los capacitores electroquímicos
como baterías recargables para dispositivos de bajo consumo.
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Objetivo: Demostrar el potencial uso de los capacitores electroquímicos como baterías recargables para suministrar energía a dispositivos portátiles, enfatizando sus ventajas de velocidad de carga, eficiencia y perfil ecológico.
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Justificación: El interés referente al tema surgió de la lectura acerca de nuevas tecnologías energéticas, encontrando que esta tecnología existe desde hace varios años; sin embargo, ha sido un tanto subestimada, mientras que otras tecnologías presentan importantes inconvenientes. Por ello la necesidad de darle una aplicación próxima al uso doméstico a la tecnología de los capacitores electroquímicos como baterías.
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Índice Introducción.
1 1. Antecedentes.
2 1.1 Usos en la actualidad
5 2. Comparativa entre el capacitor electroquímico y las baterías convencionales
8 2.1 Migración a la tecnología del capacitor electroquímico
8 2.2 Comparación con baterías convencionales
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3. Análisis de los capacitores electroquímicos y dispositivos a alimentar.
11 3.1 Análisis del SC en general
12 3.1.1 Análisis del ejemplar no. 1
15 3.1.2 Análisis del ejemplar no. 2
16 3.2 Análisis de dispositivos a alimentar
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3.3 Cálculos sobre los supercapacitores 18
4. Diseño de los circuitos de carga 22
4.1 Cálculos para el ejemplar chico 22
4.2 Diseño y mediciones en el circuito de carga para el ejemplar chico.
22 4.3 Cálculos para el ejemplar grande
24 4.4 Diseño y mediciones en el circuito de carga para el ejemplar grande.
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5. Usando las ventajas de la tecnología para hacerla más atractiva.
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6. Conclusiones y resultados. 27
Glosario Índice de figuras, fórmulas y tablas. Referencias
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Introducción. En el presente proyecto titulado “El uso de los capacitores electroquímicos como baterías recargables para dispositivos de bajo consumo” con la intención de impulsar una tecnología relativamente reciente. La tecnología del capacitor electroquímico trata esencialmente de almacenar energía en la interfaz de materiales, mientras otro tipo de capacitores almacenan energía ayudándose de un dieléctrico entre materiales con propiedades iónicas. La reciente tecnología da lugar a un importante aumento en la densidad de energía almacenada por volumen en un capacitor, las aplicaciones pueden ser las mismas que las de capacitores convencionales, su comportamiento y funciones de transferencia presentan similitudes. Dada la gran cantidad de energía que puede almacenar un capacitor de este tipo, se proponen para ser utilizados como baterías recargables en dispositivos de bajo consumo, pensando en las ventajas que ofrecen sobre baterías convencionales. En el primer capítulo del trabajo presente se abordan las cuestiones más básicas del funcionamiento interno de los capacitores electroquímicos, así como su desarrollo a lo largo de los años y las situaciones en las que han sido empleados. También se hace mención de algunos proyectos un tanto revolucionarios en base a estos capacitores. En el segundo capítulo se aborda la razón para llevar a cabo el proyecto, principalmente tomando como referencia la situación económica, energética y ambiental actual, con la intención de dar un fuerte respaldo ante las complicaciones que representaría cambiar de las tecnologías actuales de almacenamiento de energía por los capacitores electroquímicos. El proyecto intenta mostrar en general como es que se pueden sustituir las baterías de metales pesados por capacitores electroquímicos, aún para aplicaciones de potencia, aunque solamente se abordan ejemplos y comparaciones para bajo consumo. A partir del capítulo tres se hacen análisis y diseños sobre capacitores electroquímicos en general y sobre ejemplares utilizados durante el proyecto con la fiel intención de que estos funcionen para alimentar durante razonables periodos de tiempo algún dispositivo, destaquen por su vida útil ante otras formas de almacenamiento de energía y sean recargados fácil y rápidamente.
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Antecedentes.
El capacitor electroquímico, también conocido como supercapacitor,
ultracapacitor o capacitor electroquímico de doble capa, que también denominaremos “SC” en este trabajo por simplicidad, es un dispositivo eléctrico pasivo que como su nombre lo indica esencialmente es un capacitor o condensador con gran capacitancia.
La teoría de esta tecnología se inició en 1845; sin embargo, el concepto de almacenar energía en la interfase creada entre un electrolito y electrodo no se llevó a la práctica hasta 1956 por parte de científicos de la compañía General Electric. En los años 60 la compañía SOHIO fue la primera empresa en producir capacitores electroquímicos en masa, mientras que Panasonic creó versiones del SC para el mercado en general; la empresa NEC incorporaba ultracapacitores en equipos con la función de respaldo de energía para las memorias en los 70; para los 90 la tecnología ya se empleaba para funciones como de encendido de motores y para otras aplicaciones que requerían pulsos muy grandes de energía. Hoy en día existen diversos fabricantes trabajando en el desarrollo y en la producción de SC, empresas como: Matsushita, ELNA, Maxwell Technologies, Vinatech, Panasonic, entre otras [1].
El principio de funcionamiento del SC se describe a grandes rasgos en la figura 1, el cual está constituido por dos electrodos de carbono activado de alta porosidad sumergidos en algún electrolito, normalmente ácido sulfúrico; al generar una diferencia de potencial entre los electrodos, las cargas se agrupan en la interfase creada por el electrolito y los electrodos, al dejar de suministrar una diferencia de potencial en los electrodos, la distribución de cargas permanece en la interfase. La gran capacidad de estos dispositivos es el resultado de la gran superficie de los electrodos en contacto con el electrolito.
Fig. 1. Diagrama del funcionamiento básico del capacitor electroquímico.
Imagen propia.
Los capacitores electroquímicos generan grandes expectativas para los
próximos años debido a la tendencia de migrar a tecnologías más amigables con el medio ambiente y por el reciente desarrollo de la nanotecnología que le dará un impulso al SC. La nanotecnología mediante el apropiado manejo de las partículas a nivel de moléculas, podría fabricar electrodos maximizando la
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porosidad de los mismos, minimizando espacio, utilizando poco material y reduciendo costos oportunamente.
Como sabemos, la carga almacenada por el capacitor está determinada por el voltaje inicial con el que se carga y la capacitancia del mismo, y siendo su descarga muy diferente a la descarga de una batería tradicional, el SC se descarga y se carga de una manera muy similar a sus contrapartes cerámicos, electrolíticos, de poliéster, etc. La energía almacenada por un capacitor viene dada por la fórmula:
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02
1CVEi
(1.1)
En donde: Ei representa la energía inicial del capacitor [J] C representa la capacitancia del capacitor [F] V0 representa al voltaje inicial de carga [V]
Es importante remarcar que la descarga de un capacitor, sea electroquímico o de otro tipo, es muy diferente a la descarga de una batería alcalina, de ión litio, entre otros tipos. La descarga de un capacitor tiene un comportamiento como se muestra en la figura 2.
Fig. 2. Curva de descarga de un capacitor y una batería convencional con respecto al tiempo. [Imagen Propia]
Podemos observar que el voltaje de salida del capacitor presenta una
curva exponencial de voltaje a lo largo de descarga. Con la fórmula (1.1) y la gráfica anterior tenemos la ventaja de poder decir con precisión cual es el estado de carga de nuestro capacitor a partir del voltaje de salida; por ejemplo si el voltaje ha decaído un 50% tenemos un 75% de la energía inicial que ha sido descargada [1]. Dicha curva de descarga nos presenta un problema que será tratado más adelante en este trabajo, el cual es que muchos dispositivos
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comúnmente no pueden trabajar con un rango tan amplio de tensiones de alimentación.
Fig. 3. Banco de capacitores electroquímicos. [Imagen de
forosdeelectronica.com] Las celdas sencillas de SC actuales normalmente limitan su
funcionamiento hasta 3V, siendo necesario en algunos casos hacer arreglos en serie de varios capacitores para obtener dispositivos con mayores valores de voltaje. En la figura 3 se muestra un banco de capacitores electroquímicos. En el mercado se pueden encontrar con cierta facilidad dispositivos marcados con capacitancias del orden de decenas de farads y para ciertas aplicaciones como marchas de motores se pueden adquirir ultracapacitores del orden de miles de farads. Adicionalmente un capacitor electroquímico es particularmente pequeño en relación a otros capacitores.
En la figura 4 observamos un SC de 0.1 F y voltaje de 5.5 V con un LED
y una resistencia de ¼ de W que nos sirven de referencia para ilustrar mejor su reducido tamaño en comparación con su gran capacidad. Un capacitor con estas características puede almacenar aproximadamente 1.5 J.
Fig. 4. Ilustración de un SC junto con un LED y una resistencia de ¼ W.
[Imagen de borntechie.com]
Ademas de las características ya mencionadas, los capacitores electroquímicos presentan la facilidad de suministrar grandes cantidades de
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corriente de manera casi inmediata, característica que comparten con tecnologías como el capacitor cerámico y electroquímico; sin embargo, el SC presenta mayor resistencia interna, de todas formas la cantidad de energía eléctrica que puede suministrar y absorber en breves instantes es muy superior a cualquier otra tecnología de baterías. La corriente que puede suministrar un supercapacitor únicamente se encuentra limitada por el calentamiento de sus terminales y electrodos. Es necesario mencionar que el capacitor electroquímico tiene en teoría infinidad de ciclos de recarga, sin embargo los fabricantes suelen indicar ciclos de vida en ordenes de centenas de miles de cargas y descargas. Regresando a la estructura básica del SC, a pesar de que ambos de sus electrodos son del mismo material, se suele indicar una polaridad, esto se debe a costumbres de manufactura y consistencia con otros tipos de capacitores.
El SC posee una corriente de fuga, que es muy variable. Esta corriente de fuga está normalmente asociada a la temperatura; mientras el dispositivo se caliente, la corriente de fuga será mayor. Características como la resistencia interna, la corriente de fuga y otras peculiaridades del SC serán discutidas más adelante. 1.1 Usos en la actualidad.
A los capacitores en general se les emplea en cuestiones como la regulación de corriente, la supresión de picos de voltaje, aplicaciones de filtración de frecuencias, almacenamiento temporal de energía, energía de respaldo, generación de pulsos muy grandes de energía, entre otros usos. Los capacitores electroquímicos son usados frecuentemente en las mismas aplicaciones y han logrado reemplazar a sus contrapartes electrolíticos en numerosas cuestiones, al ser más pequeños y livianos, aunque su costo sea más elevado en los tiempos actuales de miniaturización y requerimientos cada vez menores en consumo energético, le ha dado oportunidad a la tecnología del SC de ganar algo de terreno.
Los fabricantes de SC frecuentemente incluyen en sus catálogos y hojas de especificaciones ciertas aplicaciones para las cuales los SC’s que anuncian son particularmente efectivos [2]. Para ser exactos el supercapacitor tiene gran aceptación en las siguientes aplicaciones:
Marcha de motores de combustión modernos.
Almacenamiento de energía proveniente del frenado regenerativo en vehículos híbridos.
Regulación de la corriente en generadores eólicos e hidráulicos.
Audio en automóviles.
Flashes de cámaras.
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Fig. 5. Algunos dispositivos donde se aplica el SC [2].
A pesar de la gran aceptación en las tareas anteriormente mencionadas, el SC no ha sido empleado prácticamente como principal fuente de energía de dispositivos/vehículos, a decir verdad no existe la producción en masa de algún sistema cuya fuente primaria de energía sea un banco de capacitores electroquímicos. Sin embargo existen casos aislados de compañías e individuos trabajando en proyectos al respecto, siendo un caso muy claro el de autobuses eléctricos en Shangai que usan como fuente de energía única capacitores electroquímicos. A pesar de que los autobuses eléctricos de Shangai no pueden almacenar demasiada energía, sus características de fácil y rápida recarga hace posible que en cada estación del recorrido del autobús (con una distancia promedio de 500 m entre estaciones) los capacitores se recarguen. El banco de capacitores del autobús no utiliza más del 10% de su rango de voltajes, y por lo mismo solo se utiliza el 20% de la energía total [3].
A pesar de que la línea de autobuses antes mencionada es meramente
un experimento tanto mercantil como tecnológico, resulta evidente que presentan varias ventajas ante otras tecnologías previamente usadas por el transporte público, como lo son el reducido espacio y peso del banco de capacitores, la larga vida del banco de capacitores, la ausencia de emisiones de dióxido de carbono, la posibilidad de reutilizar los capacitores aun después de concluida la vida útil del vehículo, la simplicidad y eficiencia del automotor y la poca infraestructura que requiere el sistema. Inclusive se señala que el autobús alimentado por capacitores electroquímicos es un 40% más eficiente que un trolebús convencional [4].
Existen varias compañías automotores, de las cuales prácticamente
todas las que son líderes, se encuentran experimentado, ya sea en laboratorio o en el mercado, con vehículos híbridos, cuyos motores eléctricos son alimentados parcialmente o totalmente mediante capacitores electroquímicos de doble capa o al menos presenten supercapacitores en sus sistemas de frenado regenerativo. Para el frenado regenerativo, el SC ha sido indudablemente la mejor opción en la etapa de almacenamiento de la energía suministrada durante el frenado ya que no existe batería convencional que pudiese aceptar tales pulsos de energía sin dañarse, no se diga almacenar un porcentaje significativo del mismo pulso, por otro lado un banco de capacitores electrolíticos representaría un gran volumen.
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En Canadá, Zenn Motor Company desarrolló un vehículo alimentado por un capacitor cerámico que tiene capacidad de recorrer 800 km con una sola carga de 5 minutos de duración y a pesar de no incluir un capacitor electroquímico de doble capa, es un trabajo muy importante para el mundo de los capacitores de potencia, ejemplo de ello es el trabajo que se realizó para desarrollar el convertidor CD-CD que aceptara toda esa potencia durante 5 minutos [3].
En la universidad de Meisei en Japón se ha desarrollado un vehículo
eléctrico alimentado por capacitores electroquímicos, sin embargo el vehículo no utiliza convertidor CD-CD para dar un voltaje de salida constante, en lugar del convertidor se emplea un sistema de conmutación dentro del banco de capacitores, de manera que se interconectan los capacitores en serie y en paralelo para obtener un voltaje deseado para así extraer el máximo de la energía eléctrica del banco [3].
Existe también una tendencia de investigación muy importante orientada
al uso del SC por parte de diversos organismos militares y contratistas trabajando para los mismos, principalmente en los Estados Unidos, por ejemplo para alimentar armamento de última generación como lanzadores mediante campos electromagnéticos, armas laser, incluso para armas que crean pulsos electromagnéticos con el fin de deshabilitar aparatos electrónicos cercanos. Corroborando que el SC se establece como una excelente fuente de grandes pulsos de energía, como las aplicaciones militares anteriores lo requieren.
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Comparativa entre el capacitor electroquímico y las baterías convencionales 2.1 Migración a la tecnología del capacitor electroquímico La razón principal que impulsa este proyecto es la oportuna aplicación del concepto de eficiencia. La eficiencia se define como la capacidad de disponer de algo o alguien para obtener un efecto determinado. Es muy sencillo observar que a pesar del paso del tiempo y el consecuente acervo científico acumulado, no fue sino hasta las últimas décadas que los sistemas productivos se han enfocado a la eficiencia, posiblemente debido a que no existía una conciencia de los recursos finitos que nos proporciona la Tierra. Aunque el conocimiento del concepto de eficiencia, tecnologías eficientes, recursos no renovables, estilos de vida minimalistas, etc, se conocen desde hace mucho tiempo, es hasta años recientes en los que los sistemas productivos han podido observar directamente lo que sería un escenario de competencia por los últimos recursos, por lo tanto han intentado migrar a un funcionamiento eficiente y un poco más amigable con el ambiente.
El capacitor electroquímico de doble capa es una tecnología que tiene la función de almacenar energía para posteriormente ser utilizada. Analizando su función y las características mencionadas en el capítulo anterior podemos decir que es una tecnología eficiente ya que si su función es almacenar energía, logra su cometido sin perder esa energía en el proceso de carga o descarga, como energía u otro modo de energía, y sin generar desechos. Bajo este enfoque podemos decir que es superior a otras formas de almacenar energía.
Ampliando la idea anterior, hablemos de la estructura típica de una
batería o acumulador convencional. Están generalmente formados por compuestos químicos pesados que reaccionan entre sí, generando un potencial en las terminales, para el caso de los ejemplares recargables, es una reacción reversible. Sin embargo durante la carga y la descarga se desperdicia energía, en forma de calor por lo general. Por el lado de los desechos, la vida útil de una batería como máximo no excede el orden de decenas de miles de ciclos, mientras que para el SC es virtualmente infinita.
Ya abordado el tema de la eficiencia, veremos que en cuento a la
fabricación, uso y reutilización del SC y sus componentes, es superior el SC a las baterías convencionales. Mientras el SC utiliza como electrodos carbón activado, que es una forma de carbón con muy alta porosidad, las baterías convencionales suelen utilizar metales, frecuentemente metales pesados difíciles de extraer y procesar. El carbón resulta ser un elemento abundante en la tierra y de no muy difícil procesamiento. En la actualidad se estudian materiales alternativos para hacer los electrodos de los capacitores electroquímicos, como polímeros y otros compuestos a base del carbono, algunos incluso biodegradables [5].
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Cómo ya se mencionó en el capítulo anterior, la tecnología del SC, ha tenido cierto impulso en los últimos años debido a la reciente popularidad de las tecnologías amigables con el ambiente y a que los avances en la nanotecnología podrían ayudar a que el almacenamiento total que un SC tiene se multiplique por un factor de diez o más.
De no surgir otra tecnología superior a la del SC, este seguramente será
la opción más popular en aplicaciones de manejo de pulsos muy grandes de energía, tales como el frenado regenerativo en autos eléctricos, granjas eólicas, sistemas de control emergentes, etc.
2.2 Comparación con baterías convencionales Ya mencionamos a grandes rasgos las diferencias en eficiencia energética de las baterías y los capacitores electroquímicos, ahora explicaremos está y otras diferencias que tienen con un enfoque técnico.
Las baterías de mayor popularidad en los últimos tiempos suelen ser las de ión litio y níquel-cadmio. Mientras otras tecnologías más antiguas como las baterías de plomo, utilizadas en automóviles y baterías alcalinas, son solamente utilizadas por su bajo costo, sin embargo prácticamente todos los fabricantes de aparatos eléctricos y electrónicos están migrando hacia tecnologías más nuevas, en parte a nuevas regulaciones y políticas ambientales. Las baterías de ión litio suelen ser utilizadas en aparatos electrónicos de costo alto, como suelen ser teléfonos celulares y computadoras portátiles. Siendo una tecnología que ofrece gran densidad de energía, poco efecto de memoria, el cual se presenta como un deterjo de la batería al ser recargada sin estar cerca de su agotamiento, y bajas corrientes de fuga cuando el dispositivo no se encuentra en uso. En sus desventajas podemos ver que son de complicada fabricación, los circuitos de recarga suelen ser complejos, para obtener una vida útil prolongada de la misma se requieren de ciertos cuidados, presenta una elevada resistencia interna y representa un importante foco de contaminación ambiental al ser desechada. Algunos de sus componentes químicos pueden ser litio, cobalto, níquel, manganeso y fósforo, que aunque sean tratados en lugares apropiados para su reutilización, el proceso puede resultar costoso [6]. Las baterías de níquel-cadmio por otro lado es una tecnología de baterías recargables que presenta menos complejidad en su construcción que las baterías de ión litio, por lo tanto son más económicas pero tienen una resistencia interna menor a las baterías de ión litio, por lo cual son una socorrida alternativa en ciertas aplicaciones. Estas baterías suelen ser usadas para alimentar dispositivos portátiles de bajo costo, equipo fotográfico e incluso vehículos eléctricos. Las desventajas que presentan son los caros materiales para su construcción, los peligros que representan al sobrecalentarse y/o
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sobrecargarse, el efecto de memoria y al igual que las baterías de ión litio, el daño ambiental que representan al ser desechadas [7]. Por otro lado, dadas las características de las baterías mencionadas, podemos anticipar que a pesar de las desventajas que presentan las baterías convencionales ante los capacitores electroquímicos, estas han sido la mejor opción debido a su mayor densidad energética. A continuación veremos una tabla comparativa con algunas tecnologías para almacenar energía.
Tabla 1. Densidad de energía de varias tecnologías de almacenamiento de
energía [7].
Tipo de batería Wh/kg Wh/l
Plomo 41 100
Alcalina 110 320
Carbón-zinc 36 92
NiMH (níquel-hidruro metálico) 95 300
NiCd (níquel-cadmio) 39 140
Ion litio 128 230
SC 3-30 2-20
En donde: Wh/kg representa la densidad de energía sobre unidad de masa Wh/l representa la densidad de energía sobre unidad de volumen
En la tabla 1 podemos ver que en cuanto a densidad de energía la tecnología superior es la batería de ión litio, mientras que la tecnología inferior es el SC. Por otro lado en cuanto a volumen el SC resulta bastante mayor a las otras tecnologías. Sin embargo la tecnología del SC como se ha mencionado previamente está en constante desarrollo y se estima que estos números puedan aumentar hasta por un factor de diez. A pesar de los resultados anteriores, el SC es un dispositivo que puede almacenar y liberar la totalidad de su energía sin dañarse, afectar sus ciclos de vida o requerir de dispositivos periféricos para su monitoreo y control durante carga o descarga y liberar la cierta cantidad de energía en solo una fracción del tiempo que le tomaría a cualquiera de las tecnologías mencionadas en la tabla 1, siendo la batería de plomo la segunda mejor en ese aspecto. Teniendo la característica de poder liberar o absorber grandes cantidades de energía en lapsos cortos nos da una gran libertad a la hora de acoplar una carga al SC, en el sentido de que podemos alimentar una carga con demandas muy variables en cuanto a corriente, lo que muchas de las tecnologías de baterías no nos otorga. Por otro lado tenemos la facilidad de cargar un SC con un sencillo circuito resistivo en serie con el SC, lo único que nos debe preocupar al cargar un SC a su máximo es no exceder el voltaje de alimentación que indica el fabricante, no tenemos problemas con cuestiones como la sobrecarga. Para la descarga inducida por la alimentación del dispositivo al cual el SC se encuentre acoplado nos enfrentamos ante la problemática de la inconsistencia en voltaje que presenta a la salida el SC, este problema lo abordaremos más adelante.
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La principal ventaja del SC ante sus contrapartes baterías es que idealmente es un dispositivo con una vida útil infinita, en teoría nunca tendremos que desecharlo, y aunque nos enfrentáramos con un daño en el SC y tuviéramos que desecharlo, los compuestos en el mismo son prácticamente inofensivos al medio ambiente así como a la salud humana, también están descartados peligros de explosión o inflamabilidad.
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Análisis de los capacitores electroquímicos y dispositivos a alimentar
El enfoque de este proyecto se orienta al máximo aprovechamiento de la tecnología del SC, para ello debemos encontrar las aplicaciones optimas para que un SC provea de energía algún dispositivo con eficiencia, eficacia, fácil implementación, uso amigable y evidente superioridad ante una batería convencional ante el mismo usuario.
Como sugiere el ejemplo de la línea de autobuses de Shangai que almacena energía en un banco de SC, existen aplicaciones en las cuales es especialmente ventajoso un supercapacitor en comparación con una batería. En el caso del autobús, se prescindió de un convertidor CD-CD o de conmutadores para mantener el voltaje a cierto nivel, por lo tanto tenemos menos peso en el vehículo; el problema del corto alcance se aborda con lapsos de 30 segundos aproximadamente para realizar recargas en las paradas; se tiene un vehículo eléctrico que requiere de mínima infraestructura, al contrario de los trolebuses; el vehículo al contar con capacitores electroquímicos es fácilmente acoplable con un sistema de frenado regenerativo [4]. La metodología utilizada en el autobús de capacitores resulta bastante más complicada de implementar para el caso del uso del SC a un vehículo eléctrico de largo alcance, pequeñas dimensiones y con una ruta indefinida, es decir sin la apropiada infraestructura para la recarga en el camino.
A continuación se muestra una tabla comparativa [8] que indica el
desempeño de métodos para operar motores eléctricos a diversas velocidades con alimentación preveniente de ultracapacitores.
Tabla 2. Comparación entre métodos de control/alimentación para operación de
motores eléctricos [8]. Eficiencia Peso/espacio Rango de velocidad-momento
Convertidor CD-CD Aceptable Mala Excelente
Relevador mecánico Buena Mala Aceptable
Conmutador semiconductor Aceptable Mala Aceptable
Transmisión mecánica Buena Mala Buena
Conexión directa Excelente Excelente Mala
De la tabla anterior podemos concluir que la conexión directa de un SC a
un motor eléctrico tenemos la máxima eficiencia y la facilidad de emplear poco espacio y peso, y siendo que este proyecto no pretende alimentar motores eléctricos podemos descartar la mala calificación que da el autor a la conexión directa en el aspecto de “rango de velocidad-momento”. 3.1 Análisis del SC en general
El capacitor electroquímico es un dispositivo muy difícil de modelar matemáticamente, la complejidad de este problema tiene significativo peso en que su principio de funcionamiento se encuentra en los diminutos poros
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existentes en ambos electrodos. En la siguiente ilustración podemos darnos una idea de cómo es que se localizan las cargas próximas a los poros.
Figura 6. Distribución de iones dentro de un poro del SC cargado.
[Imagen propia]
En el carbón activado que se utiliza en los supercapacitores encontramos poros de dimensiones comparables con las dimensiones de los iones del electrolito, por lo tanto es de suponerse que el cargar y descargar del SC representa el desplazamiento de los iones a lo largo de un poro y consecuentemente la posible obstrucción entre ellos [8,9]. A este fenómeno se le atribuye la resistencia interna del SC comúnmente referida en los textos como ESR (del inglés Equivalent Series Resistance), aunque dicha resistencia suele ser mucho más baja que en dispositivos de almacenamiento de energía, en muchos casos siendo inferior a 1 Ohm. Estos problemas son algunos de los que se planean solucionar una vez que la nanotecnología ofrezca la posibilidad de acomodar partículas de carbono activado para construir capacitores electroquímicos con poros del tamaño que nosotros deseemos, optimizando la relación de área total y el tamaño de los poros con los iones.
Para el modelo matemático del SC y consecuentemente el circuito equivalente existen varias propuestas, como para funcionamiento en corriente alterna, corriente directa y modelos generales para ambas, la gran mayoría de estos modelos son circuitos RC de órdenes superiores, tal como el siguiente.
Figura 7. Circuito equivalente de un SC [8].
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Para un diseño de un circuito que va a utilizar ultracapacitores y operar los mismos con corriente alterna y/o directa resulta conveniente utilizar este tipo de circuitos equivalentes, sin embargo para el diseño de circuitos que utilizarán al SC únicamente para almacenar energía, es decir corriente directa, es suficiente apegarse a las consideraciones de diseño del fabricante, tales como ESR, corriente de fuga, operación bajo cierto rango de temperaturas, etc. Por lo tanto en el empleo de los ultracapacitores en este proyecto nos limitaremos a tratar al SC como un capacitor convencional.
Como ya se ha hablado previamente, estos dispositivos presentan ciertos parámetros que son importantes en cuanto a un diseño de ingeniería, parámetros tales como:
ESR. Normalmente indicada por los fabricantes a la frecuencia de 1 kHz. También se suele adjuntar una DCR, que indica la resistencia que opone el capacitor al paso de la corriente siendo que la corriente sea directa.
Capacitancia. La capacitancia en estos dispositivos suele tener variaciones muy importantes en relación a la marcada en la carcasa (de hasta 70%), estas variaciones se presentan por numerosas razones, principalmente el tipo de construcción, el voltaje suministrado, la corriente suministrada, la temperatura, la humedad, el desgaste por usos inadecuados, etc. Por esta razón los arreglos en serie de supercapacitores no se recomiendan, puesto que hay la posibilidad de mayor tensión en uno de los supercapacitores, y consecuentemente daño en el. De cualquier forma, bajo condiciones de temperatura entre los 5 y 50° y humedad de 0 a 75%, un SC nuevo no debe variar más de un 20% en cuanto a la capacitancia marcada.
Voltaje máximo. Un capacitor electroquímico como ya se mencionó debido a la disociación del electrolito que contiene no puede ser alimentado con un voltaje mayor al marcado, de lo contrario ocasionaremos la disociación del electrolito y por ende el fin prematuro de la vida útil del SC. Cuando encontramos capacitores electroquímicos con voltajes máximos superiores a los 10 V posiblemente nos encontramos con capacitores con circuitos de balanceo de voltaje internos.
Corriente de descarga. Los capacitores electroquímicos por lo general indican en sus hojas de especificaciones la corriente que puede ser extraída o inducida al mismo por un tiempo indefinido, aunque como la mayoría de los dispositivos, pueden tolerar picos considerablemente mayores por periodos muy breves de tiempo sin presentar deterioro significativo.
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3.1.1 Análisis del ejemplar No. 1 El primer ejemplar que utilizamos para el proyecto es un SC económico de las siguientes características:
Tabla 3. Especificaciones del SC 1 (pequeño).
Fabricante Cornell Dubilier
Serie SD
Modelo EDLSD334V5R5C
Tipo Moneda
Capacitancia (F) 0.33
Voltaje (CD) 5.5
Resistencia Max. (Ω) 75
Diámetro (mm) 11.5
Altura (mm) 5.5
Corriente máxima (µA) 300
Tiempo de vida (años) 15
Energía (mWh) 1.38
Energía (J) 4.99
Densidad (Wh/L) 13.35
Figura 8. SC pequeño. Imagen propiedad de Cornell Dubilier.
Se hace referencia al dispositivo como ejemplar chico o ejemplar No. 1. Los parámetros de energía y densidad de energía no se encuentran
especificados en las hojas del fabricante. Mediante la fórmula 1.1 podemos obtener la energía almacenada del capacitor cargado en su totalidad. De la fórmula:
3600
1
2
1 2CVWh (3.1)
En donde: Wh es toda la energía almacenada en el capacitor que se libera en una hora. C es la capacitancia del SC. V es el voltaje con el que se carga el capacitor.
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Para obtener la densidad de energía usamos la fórmula
LWLWhEd /)/( (3.2)
En donde Ed es la densidad de energía en watt-hora sobre litro. L es el volumen del capacitor en Litros.
Podemos observar en las especificaciones del SC que la corriente constante de descarga es muy baja, ni siquiera nos permite operar un LED, los cuales con una corriente de 5 mA tiene una iluminación aceptable, sin embargo las características de almacenamiento son buenas ya que tenemos un capacitor con la densidad de energía de aproximadamente 1/7 la de una batería de carbón-zinc, que como ya hemos mencionado son altamente contaminantes, o bien tenemos el equivalente a 1/17 la densidad de energía de una batería de ión litio.
Comparando al SC con una batería de carbón-zinc en el aspecto monetario podemos decir que el precio de una batería de carbón-zinc es aproximadamente la mitad que el de un SC o un banco de capacitores con la misma capacidad de almacenamiento.
Analizando las características del capacitor y mediante la experimentación, podemos decir que este tipo de ultracapacitores podrían tener como aplicación alimentar controles remotos de aparatos electrónicos, tales como televisiones, radios, etc, puesto que los mismos funcionan con rápidos pulsos de energía, pulsos que aunque excedan la corriente que puede otorgar el capacitor de manera constante no deterioran al capacitor por lo breves que son. 3.1.2 Análisis del ejemplar No. 2
El segundo ejemplar al igual que el primero es un ultracapacitor económico, solo que de mayor tamaño y por lo tanto mayores prestaciones. Se hace referencia al dispositivo como ejemplar grande o ejemplar No. 2.
Tabla 4. Especificaciones del SC 2 (grande).
Fabricante Nichicon
Serie UM
Modelo JUMT1106MHD
Tipo Radial
Capacitancia (F) 10
Voltaje (CD) 2.7
Resistencia Max. (Ω) 0.25
Diámetro (mm) 12.5
Altura (mm) 31.5
Corriente máxima (A) 0.1
Energía (mWh) 10.1
Energía (J) 36.45
Densidad (Wh/L) 2.62
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En contraste con el SC anterior, este SC ofrece una salida en corriente considerablemente mayor, sin embargo ofrece una densidad de energía considerablemente menor.
Figura 9. SC grande. [Imagen Propiedad de Nichicon]
Podemos observar que ambos ultracapacitores se encuentran entre las gamas bajas de productos de sus respectivos fabricantes, no obstante dentro de esas gamas bajas podemos intercambiar dos parámetros: densidad y corriente constante de salida. 3.2 Análisis de dispositivos a alimentar
Es importante reiterar que el objetivo de este proyecto es mostrar el uso de los supercapacitores como baterías recargables en general, sin embargo los ejemplos que se mencionan tienen una intención meramente ilustrativa.
Por simplicidad como ya se ha mencionado, en este proyecto no se
tratara con dispositivos de potencia, sin embargo no resulta muy diferente la aplicación para tales dispositivos. Mientras que se abordarán dispositivos de bajo consumo únicamente, como ya se mencionó en la sección 3.1.1, los controles remotos.
Se restringe el proyecto también a dispositivos alimentados por corriente directa, debido a que es la manera más simple de descargar un capacitor, de otra forma necesitaríamos de un oscilador y probablemente de un importante consumo del mismo circuito de oscilación.
Retomando la aplicación en los autobuses de Shangai, el punto fuerte del sistema es su simplicidad, omite cualquier estabilización de la corriente a la salida del banco de capacitores, realza las ventajas de los ultracapacitores y evita situaciones en donde los ultracapacitores fallan.
Entonces se pretende alimentar dispositivos de bajo consumo de corriente alterna conectando directamente el SC o banco de SC al dispositivo cual batería y de igual manera a los autobuses de Shangai evitando los “puntos débiles” del SC. Para tales fines se considerarán algunos parámetros de los dispositivos a alimentar.
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La corriente que requiere un dispositivo puede variar dependiendo del uso y desempeño del mismo, se requiere que esa corriente pueda proveerse desde el SC sin provocar deterioro en el mismo, está es una tarea fácil para el SC, ya que puede proveer desde pequeñas corrientes a muy grandes pulsos de corriente.
El voltaje con el que se puede alimentar un dispositivo es un factor muy
importante en el adecuado funcionamiento del mismo. La mayoría de los dispositivos eléctricos y electrónicos de bajo consumo tienen tolerancia de unos pocos volts o décimas de volts para funcionar adecuadamente, está característica es necesaria ya que se operará el dispositivo a la vez que se descarga el SC, por lo tanto el voltaje a la salida del mismo decaerá considerablemente a lo largo de dicha descarga, por ende se requiere de una tolerancia amplia en el voltaje de entrada del dispositivo a alimentar.
La portabilidad de los dispositivos eléctricos, electrónicos y las baterías
es una relación constante en la actualidad, por lo tanto se necesita de dispositivos de reducidas dimensiones (por lo general reducido consumo) que hagan conveniente el implementarles una alimentación en base a ultracapacitores.
Como última característica del dispositivo a alimentar es conveniente
que el mismo dado a sus requerimientos de uso se encuentre próximo a un lugar en donde pueda dejarse para su recarga, es decir, que no requiera de estar demasiado tiempo lejos de alguna fuente de alimentación para ser recargado el banco de ultracapacitores. Es aquí cuando la ventaja de la velocidad de carga es importante, debido a que puede que se requiera de frecuentes recargas, sin embargo las mismas serán extremadamente breves en comparación a la carga de cualquier otra batería recargable. Ejemplificando todo lo expuesto en esta sección se puede proponer a los teléfonos inalámbricos caseros como un dispositivo idóneo a alimentar mediante ultracapacitores, de manera que: los teléfonos inalámbricos son dispositivos que fácilmente pueden integrar un indicador de carga para monitoreo de la misma; el uso sostenido es poco probable/frecuente; la base cargadora es el lugar donde más tiempo se encontrará el teléfono; su uso y por lo tanto el uso de su fuente de alimentación es muy frecuente, lo que hace posible su frecuente recarga y con total relevancia, sin ocasionar desgaste en el banco de SC. 3.3 Cálculos sobre los superacapacitores. Como ya se mencionó, la alimentación para los SC será del tipo constante, es decir CD, para lo cual procederemos a hacer algunos cálculos sobre los SC que se utilizan.
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Consideraremos un sencillo circuito de carga para los capacitores electroquímicos de la siguiente manera.
Figura 10. Circuito de carga de un SC. [Imagen propia]
La fuente de alimentación debe ser de voltaje de igual o menor valor que el voltaje máximo marcado para el capacitor y la resistencia ESR debe de sumarse a la resistencia R, de manera que la corriente que circula por el circuito no exceda la marcada para el SC. Para tal fin tenemos la fórmula:
ESRR
VI MAX
0 (3.3)
En donde: IMAX es la corriente máxima que puede suministrarse al SC V0 es el voltaje de la fuente de alimentación R Es la resistencia conectada en serie con el SC ESR Es la resistencia interna del SC indicada por el fabricante Mediante la teoría de circuitos se afirma que la carga en el capacitor es de la forma
0)(1
vdttiC
vc (3.4)
En donde vc es el voltaje en el capacitor C es la el valor de capacitancia indicada por el fabricante i(t) es la corriente en el capacitor v0 es el voltaje inicial en el capacitor, para este caso suponemos que el
SC se encuentra totalmente descargado y v0 = 0.
Se conoce que el capacitor ante corriente directa, transitoriamente, muestra una impedancia nula y por lo tanto el voltaje en sus terminales es cero, mientras que la corriente, dado el caso de que la resistencia sea constante, es máxima. Con el paso del tiempo el capacitor se va cargando y por ende aumenta el voltaje en sus terminales, mientras que disminuye la caída de tensión en la resistencia y consecuentemente la corriente del circuito disminuye.
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El voltaje en el capacitor durante la descarga está dado por la fórmula
)1( 0
0
t
c evv (3.5)
En donde vc es el voltaje en el capacitor
v0 es el voltaje inicial en el capacitor
τ0 es la constante de tiempo del circuito en donde τ0 = RC.
Es importante remarcar que para todas las consideraciones de
resistencia como la constante de tiempo debe tomarse R como la suma de la ESR y la resistencia externa, de manera que deben sumarse dado a que se encuentran en serie. A continuación se muestra la gráfica de carga de un capacitor, dada por la fórmula (3.5).
Figura 11. Gráfica de carga de un capacitor. Imagen propia.
Se puede anticipar que el ritmo de carga va disminuyendo al paso del tiempo, debido que la caída de voltaje se va haciendo mayor en el capacitor y menor en la resistencia, lo que da una menor corriente transitando por el circuito, este problema lo podemos solucionar variando la resistencia en función del tiempo de manera que siempre tengamos la corriente máxima soportada por el SC. La fórmula que da como es que debe variar la resistencia para obtener una corriente máxima es
0)( t
MAX
o eI
vtR (3.6)
En donde
R(t) es la resistencia que disminuye con el tiempo.
v0 es el voltaje inicial en el capacitor
IMAX es la corriente máxima que puede suministrarse al SC τ0 es la constante de tiempo del circuito en donde τ0 = RC.
En la fórmula 3.6 τ0 también se encuentra en función de R(t), por lo tanto
la solución de la ecuación se logra por aproximación numérica.
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t
V
vo
Carga con resistencia variable
Carga con resistencia fija
Aplicando al circuito una resistencia que disminuya conforme dicta la fórmula (3.6) se cargará más rápidamente el capacitor, tal como se muestra en la figura 12.
Figura 12. Grafica de carga con resistencia variable. Imagen propia.
La implementación de un resistor variable es fácil de sugerir, sin embargo las soluciones más simples serían por medio de potenciómetros digitales, lo cual implica alimentación para el mismo, un dispositivo microcontrolador o similar y por lo tanto su configuración/calibración. Sin embargo a pesar de la inconveniencia que representa su construcción, no afecta la eficiencia del SC al ser descargado, pero sí la eficiencia del sistema cargador ya que implica el uso de energía para la alimentación para esos subsistemas de la resistencia variable. Las constantes de tiempo del sistema son calculadas de manera muy sencilla mediante la fórmula: τ0 = RC (3.7) En donde: τ0 es la constante de tiempo en segundos R es la resistencia del circuito en ohms C es la capacitancia del SC en farads La constante de tiempo es un parámetro fundamental para el caso que no se utilice una resistencia variable y el circuito permanezca tan básico como el que se muestra en la figura 10. La teoría de circuitos dicta que después de tres constantes de tiempo el capacitor se habrá cargado un 95%, es decir, prácticamente está cargado en su totalidad.
Para el caso de una resistencia fija y el cálculo de la constante de tiempo debemos considerar que para cargar un capacitor lo más pronto posible es necesario que la constante de tiempo sea lo menor posible, sin embargo la resistencia siendo el único parámetro que se puede variar, no debe disminuir de manera que se permita una mayor corriente que la que el capacitor o bien la misma resistencia permitan, tal como dicta la fórmula 3.3.
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Diseño de los circuitos de carga 4.1 Cálculos para el ejemplar chico.
Primeramente de la tabla 3 tenemos que el SC de la marca Cornell Dubilier tiene los siguientes valores: ESR = 35-75 Ω IMax = 300 µA C = 0.33 F VMax = 5.5 V Para calcular la resistencia necesaria para no dañar el SC se toma el valor de ESR más bajo, el cual es 35 Ω y el valor de Vo más alto que es posible poner a la entrada del circuito sin dañar el SC, el cual es 5.5 V. Ahora mediante la fórmula:
MAXI
vESRR 0 (3.8)
En donde: IMAX es la corriente máxima que puede suministrarse al SC V0 es el voltaje de la fuente de alimentación R Es la resistencia conectada en serie con el SC ESR Es la resistencia interna del SC indicada por el fabricante
Sustituyendo datos en la fórmula anterior obtenemos un valor de 18.37
kΩ para R.
Ahora de la fórmula (3.7) se obtenemos la constante de tiempo que es de 6061 segundos, lo que equivale a 1 hora 41 minutos. Al paso de la primer constante de tiempo podemos calcular que el capacitor se ha cargado hasta su 63%, al paso de tres constantes de tiempo, es decir al cabo 5 horas aproximadamente, el capacitor se habrá cargado en su totalidad. Con un circuito para proveer una corriente constante al SC se puede reducir el tiempo de carga a 1/3 aproximadamente.
4.2 Diseño y mediciones en el circuito de carga para el ejemplar chico. Contando ya con los valores obtenidos de los cálculos de la sección
anterior se procede a diseñar y construir el circuito para el SC chico, el cual es como el que se muestra en la figura 10.
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Tabla 5. Comparación entre valores calculados y medidos para el ejemplar 1.
SC No 1 (chico) Valor medido Valor calculado
ESR 5 kΩ 35 Ω
Constante de carga 2 horas 7 minutos 1 hora 41 minutos
La desviación anterior puede deberse principalmente a la variación en la
capacitancia del SC debida a factores como la temperatura y la humedad.
Con respecto a la aplicación de este tipo de ultracapacitores se puede afirmar que es una alternativa para alimentar controles remotos, ya que no requieren de pulsos muy grandes de energía y su consumo es muy bajo, mientras que el voltaje otorgado por el capacitor se presta para la tarea, y aunque la recarga no sea más rápida que para una batería recargable común, el capacitor tiene una vida útil mucho mayor y es amigable con el ambiente.
A manera de ilustrar el funcionamiento de este SC, se conecto a un control remoto de computadora portátil como el que se muestra en la figura siguiente.
Figura 13. Control remoto de laptop. [Imagen propiedad de
www.hugepedia.com]
El control remoto de la figura al igual que el SC en prueba es liviano y pequeño, normalmente es alimentado por una batería de Litio tipo botón de tamaño C2016, la cual otorga un voltaje de salida de 3 volts.
El SC se conectó a las terminales de entrada de voltaje del control remoto y su operación, para fines de mayor tiempo de operación, el SC se cargó con un voltaje de 3.3 volts, excediendo ligeramente el voltaje de la batería original.
Se calcula que con uso breve o moderado del control remoto, el SC no se debería de recargar en al menos 2 meses.
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4.3 Cálculos para el ejemplar grande
De la tabla 4 observamos que el SC de la marca Nichicon tiene los siguientes valores:
ESR = 0.25 Ω IMax = 100 mA C = 10 F VMax = 2.7 V Para calcular la resistencia necesaria para no dañar el SC se toma el valor de ESR más bajo de la misma manera que para el ejemplar chico, el cual es 0.25 Ω, el cual es prácticamente despreciable. Por lo tanto se parte a
proponer una resistencia mediante la fórmula (3.8). Sustituyendo datos en la fórmula obtenemos un valor de 27 Ω para R, sin embargo se propone una resistencia de 30 Ω para la seguridad de no dañar el dispositivo.
Ahora de la fórmula (3.7) se obtiene la constante de tiempo que es de 270 segundos, lo que equivale a cuatro minutos y medio, es evidente que tenemos un dispositivo con un diseño totalmente diferente al SC chico ya que este dispositivo alberga casi 7 veces y media la energía del SC chico. Después de 13 minutos y medio el SC grande se habrá cargado prácticamente en su totalidad.
4.4 Diseño y mediciones en el circuito de carga para el ejemplar grande. Contando ya con los valores obtenidos de los cálculos de la sección
anterior se procede a diseñar y construir el circuito para el SC grande, el cual es como el que se muestra en la figura 10.
Tabla 6. Comparación entre valores calculados y medidos para el
ejemplar 2.
SC No. 2 (grande) Valor medido Valor calculado
ESR 0.2 Ω 0.25 Ω
Constante de carga 4 minutos 10 segundos 4 minutos y medio
Prácticamente no existe desviación, lo que habla de un dispositivo mas
preciso en cuanto a sus especificaciones.
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Utilizando las ventajas de la tecnología para hacerla más atractiva.
Los capacitores electroquímicos son dispositivos que al momento de ser cargados dentro de las condiciones recomendadas por sus frabricantes, presentan eficiencias de hasta 98%, es decir que prácticamente no se pierde energía en forma de calor al ser cargados [5], lo que es una notable diferencia ante otras tecnologías de almacenamiento de energía. La eficiencia en la carga y la capacidad de admitir energía en grandes cantidades en lapsos breves hace única a esta tecnología. A la par que se adquirieron los SC utilizados para ejemplificar el presente proyecto, se adquirió un generador de energía eléctrica accionado mecánicamente por la mano de un usuario, el generador es como se muestra en la figura 14 y tiene por motivo el mostrar que se pueden cargar los supercapacitores rápida y fácilmente sin necesidad de una red eléctrica, es decir para aumentar la portabilidad.
Figura 14. Generador eléctrico manual. [Imagen propiedad de amazon.com]
El generador mostrado es un generador de corriente directa muy sencillo y en una carcasa translucida para fácil observación de su funcionamiento. La manija de acción está sujeta a una serie de engranes que incrementan el número de rotaciones transmitidas al generador de corriente, a la salida del generador se encuentran las terminales para conectar algún dispositivo y un foco incandescente que indica el funcionamiento del generador.
5
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El generador es capaz de otorgar 3.6 watts de potencia eléctrica y tiene una señal de salida con una componente de corriente alterna de entre 1.5 y 2.7 volts pico-pico, y una componente de corriente directa de entre 0 y 27 volts, esto se debe a la configuración de espiras-imanes dentro del generador y evidentemente la salida puede variar en razón a la velocidad de giros que se le dan a la manija. De la misma manera que cambia la tensión al cambiar la velocidad de giro de la manija, cambia la frecuencia, pero se midieron frecuencias de entre 10 a 47 Hz en la componente de corriente alterna. A continuación se ilustra la forma de la señal.
Figura 15. Señal de salida del generador. [Imagen propia]
Para alimentar alguno de los capacitores electroquímicos del proyecto se utilizó un sencillo circuito que consiste de un pequeño capacitor para estabilizar la salida del generador y un diodo tener de menor valor que el voltaje máximo del SC a cargar, de manera que se conecta el SC en paralelo con el diodo zener.
Mediante el generador y el SC se logra ejemplificar una manera muy simple de generar energía y almacenarla eficientemente en poco tiempo, evidentemente el SC chico no se presta para este ejemplo debido a su largo tiempo de carga, pero el SC grande es ideal para la tarea. El generador utilizado es un generador que para la tarea más demandante que puede tener en este proyecto, es decir alimentar al SC grande, queda demasiado sobrado en cuanto a potencia, y a pesar de ser pequeño, se pueden encontrar en el mercado o construir generadores mucho más compactos que pueden realizar cómodamente la tarea de alimentar un banco de capacitores de unos pocos watts-hora.
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. Conclusiones y resultados El supercapacitor no fue un dispositivo creado originalmente para remplazar o ser una alternativa a las baterías tradicionales, sin embargo en la actualidad se comercializan algunos con esa intención. Existen en el mercado muchos tipos de capacitores electroquímicos, dispositivos muy diferentes entre si en cuanto a materiales, técnicas de construcción, aplicaciones ideales, parámetros límite, incluso coexisten en los productos de una misma empresa dispositivos de diferentes generaciones, los hay para todos los bolsillos.
Con el paso del tiempo y el progreso de esta y otras tecnologías tendremos ultracapacitores completamente capaces de reemplazar a cualquier tecnología de almacenamiento de energía para cualquier aplicación a precios razonables, aunque por ahora, con las demandas actuales de energía, las densidades de energía de los capacitores electroquímicos de última generación y los precios de los mismos, solo podemos aspirar a alimentar a un selecto grupo de dispositivos eléctricos o electrónicos mediante ultracapacitores.
Sin dejar de impulsar el uso de los supercapacitores como sustitutos de las baterías de metales pesados, a pesar de no encontrarse en un momento de plenitud la tecnología de los capacitores electroquímicos de doble capa, es imperativo que migremos hacia una tecnología de almacenamiento de energía más eficiente y ecológica.
Al igual que en cualquier otra área de desarrollo tecnológico, la velocidad
con la que mejore la tecnología del ultracapacitor está en función de la demanda por la misma.
En referencia específica al proyecto se puede afirmar que la
implementación de un SC como batería recargable es increíblemente sencilla y confiable, una vez que se analizó el dispositivo a alimentar y el SC mismo.
En referencia a otros usos que se le puede dar al SC, se afirma que si
bien un SC no es una solución integral a un problema de energía, es una parte muy importante de la solución y se le debe considerar para cualquier problema ya sea para almacenamiento, suministro o control de energía.
Derivado de este trabajo se presentó una ponencia con el mismo
nombre en el congreso IEEE ROC&C 2011 realizado en el Centro Internacional Acapulco del 27 de noviembre al 1 de diciembre del 2011.
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Glosario de Términos
o A.- El símbolo del ampere, que representa la corriente eléctrica.
o Baterías convencionales.- Se conoce como baterías convencionales a
las baterías presentes en aparatos eléctricos y electrónicos dentro del
ambiente doméstico, prácticamente todas ellas hechas a base de
metales pesados.
o Capacitancia.- Capacidad de los cuerpos de mantener una carga
eléctrica. Su unidad es el Farad [F].
o Carbón activado.- Forma de carbono procesada para poseer baja
densidad y alta porosidad, tiene aspecto de polvo negro.
o Carga.- Integral de la corriente eléctrica sobre el tiempo. También se usa
para nombrar a la unidad básica de la energía eléctrica, el Coulomb.
o C.D.- Abreviatura de corriente directa, representa una corriente
constante, carente de frecuencia.
o Coulomb.- Es la unidad de carga eléctrica y está dada por la carga
trasportada por una corriente constante de un ampere en un segundo.
o Constante de tiempo.- Parámetro de los circuitos capacitor-resistencia
que determina el tiempo que tarda un capacitor en alcanzar un 63% de
su carga o descarga. Se representa con la letra griega “τ”.
o Corriente directa.- También referida como CD, o DC del inglés. Forma
de señal eléctrica en donde la corriente es constante en relación al
tiempo.
o Corriente eléctrica.- Es el flujo de carga que recorre un material por
unidad de tiempo
o Densidad de energía.- Cantidad de energía albergada en un litro o en un
kilogramo.
o Eficiencia.- Capacidad de disponer algo o alguien para obtener un
resultado.
o Energía.- La capacidad de realizar un trabajo, su unidad es el Joule [J].
o ESR.- Del inglés equivalent series resistance, es la resistencia interna de
un capacitor electroquímico.
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o Generador de corriente directa.- Es básicamente un motor de corriente
directa funcionando inversamente, es decir, se le excita mecánicamente
y este produce en su salida una corriente eléctrica, idealmente solo con
una componente de corriente directa.
o Humedad.- Cantidad de vapor de agua presente en el aire.
o Hz.- Unidad de la frecuencia, dada por los ciclos por segundo.
o kHz.- Frecuencia en el orden de los miles de ciclos por segundo.
o mA.- Símbolo de miliampere, que representa la corriente eléctrica en el
orden de milesimas de ampere.
o Oscilación.- La fluctuación o variación en el tiempo de un sistema.
o Resistencia.- Oposición al paso de la corriente, su unidad es el Ohm [Ω]
o SC.- Vease: Supercapacitor.
o Supercapacitor.- Es un elemento eléctrico pasivo que consiste de
electrodos de alta porosidad inmersos en un electrolito, mediante el cual
es posible almacenar una gran cantidad de energía en relación a otras
tecnologías de capacitores. También llamada capacitor electroquímico,
capacitor electroquímico de doble capa, ultracapacitor y en este trabajo
abreviado como “SC”.
o Temperatura.- Es la magnitud relacionada con la energía interna de un
sistema termodinámico.
o Voltaje.- También conocido como potencial eléctrico, diferencia de
potencial, fuerza electromotriz o tensión eléctrica. Es el resultado de la
existencia de un campo eléctrico entre dos puntos. Su unidad es el Volt
[V].
o Volts.- Unidad del voltaje.
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Índice de Figuras
1. Diagrama del funcionamiento básico del capacitor electroquímico.
2. Curva de descarga de un capacitor y una batería convencional con
respecto al tiempo. Imagen Propia
3. Banco de capacitores electroquímicos. Imagen de
forosdeelectronica.com.
4. Ilustración de un SC junto con un LED y una resistencia de ¼ W. Imagen
de borntechie.com.
5. Algunos dispositivos donde se aplica el SC [2].
6. Distribución de iones dentro de un poro del SC cargado. Imagen propia.
7. Circuito equivalente de un SC [8].
8. SC pequeño. Imagen propiedad de Cornell Dubilier.
9. SC grande. Imagen Propiedad de Nichicon.
10. Circuito de carga de un SC. Imagen propia.
11. Gráfica de carga de un capacitor. Imagen propia.
12. Gráfica de carga con resistencia variable. Imagen propia.
13. Control remoto de laptop. Imagen propiedad de www.hugepedia.com
14. Generador eléctrico manual. Imagen propiedad de amazon.com.
15. Señal de salida del generador. Imagen propia.
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Índice de fórmulas 1.1 Energía inicial del capacitor.
3.1 Energía del capacitor en Watts/hora.
3.2 Densidad de energía sobre litros.
3.3 Corriente máxima en el SC.
3.4 Voltaje en el capacitor.
3.5 Voltaje en el capacitor durante la descarga.
3.6 Resistencia variable en función del tiempo para otorgar corriente
constante al capacitor.
3.7 Constante de tiempo.
3.8 Resistencia total equivalente.
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Índice de Tablas 1. Densidad de energía de varias tecnologías de almacenamiento de
energía [7].
2. Comparación entre métodos para operar motores eléctricos [8].
3. Especificaciones del SC 1 (pequeño).
4. Especificaciones del SC 2 (grande).
5. Comparación entre valores calculados y medidos para el ejemplar 1.
6. Comparación entre valores calculados y medidos para el ejemplar 2.
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Referencias: [1] Spyker, R.L.; Nelms, R.M.; “Analysis Of Double Layer Capacitors
Supplying Constant Power Loads”. Aerospace And Electronic Systems, IEEE Transactions On. Volume: 36 , Issue: 4 . 2000.
[2] Vinatech Brouchure. 2009.
[3] Dean Weir, Richard, et. al, “Electrical-energy-storage unit (EESU) utilizing ceramic and integrated circuit technologies for replacement of electrochemical batteries”, US patent, # 7,033,406.
[4] Sinautec Automobile technologies LLC. A sustainable solution for public transportation.
[5] Bullard, G.L. ;Sierra-Alcazar, H.B.; Lee, H.L.; Morris, J.L. “Operating Principles of the ultracapacitor”. IEEE Transactions on Magnetics, Vol 25. No 1. Enero de 1989. Pinnacle Res. Inst. Inc., Cupertino, CA
[6] Battery Types and Characteristics for HEV ThermoAnalytics, Inc., 2007. Retrieved 2010-06-11.
[7] Battery energy storage in various types of batteries (http://www.allaboutbatteries.com/Battery-Energy.html)
[8] Kawashima, K.; Uchida, T.; Hori, Y. Dept. of Electr. Eng., Univ. of Tokyo. “Development of a Novel Ultracapacitor Electric Vehicle and Methods to Cope with Voltage Variation”. Vehicle Power and Propulsion Conference. 2009.
[9] Lai, J.-S.; Levy, S.; Rose, M.F.; “High energy Density Double Layer Capacitors for Energy Storage Applications”. Aerospace And Electronic Systems Magazine, IEEE Volume: 7 , Issue: 4 . 1999.
[10] TYPE EDL Electric Double Layer Supercapacitors. CDE Cornell Dubilier. www.cde.com (Hojas de especificaciones del fabricante).
Otras referencias consultadas
Tallner, Christian.; Lannetoft, Simon.; “Batteries or Supercapacitors as Energy Storage in HEV’s?” Industrian Electrical Engineering and Automation.
Ha-Lun Lee, G . L .; Bullard. G . E . Mason And K. Kern Pinnacle Research Institute,Inc. “Improved Pulse Power Sources With High-Energy Deyisity Capacitor” IEEE Transactions On Magnetics. 1988.
Mifler, John R.; Simon, Patrice. “Supercapacitors, Fundamentals Of Electrochemical Capacitor Desin And Operation”.
Battery Power Products & Technology magazine 2004.
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NORMA Oficial Mexicana NOM-008-SCFI-2002, Sistema General de unidades de medida.