Aplicaciones de los supercondensadores


Lo cierto es que hablamos de un componente que lleva con nosotros casi media década pues ya en 1957 ingenieros de General Electric  experimentaron con una versión temprana de supercondensador  de 1 Faradio ,aunque se desconocen  aplicaciones comerciales conocidas de aquella época.

Mas adelante en 1966,se redescubrió el efecto del condensador de doble capa por accidente mientras trabajaba usando aceite estándar en diseños experimentales la pila de combustible. La doble capa mejoró grandemente la capacidad de almacenar energía pero GE  no comercializaría  la invención por haberlo licenciando a NEC, que en 1978 comercializaría  la tecnología como “supercapacitor” para respaldo de memorias de computadoras. No fue hasta la década de 1990 donde gracias a los avances en materiales y métodos de fabricación   dirigida a mejorar el rendimiento y bajar el costo comenzando  a fabricarse de forma masiva hasta el momento actual donde el reto mayor es abararatarlos  y mejorarlos . .

Prometen ser la próxima generación de almacenamiento de energía,pues de hecho   y actualmente  están  reemplazando  las baterías en muchas aplicaciones.Son muy similares a los condensadores normales, excepto que tienen una capacidad de almacenamiento de energía enormemente mayor  y entres sus ventajas sobre las baterías destacan:

  • Puede ser cargado y descargado mucho más rápidamente que las baterías (casi instantáneamente en la mayoría de las aplicaciones)
  • No le afectan  las temperaturas extremas
  • Vida virtualmente ilimitada (más de un millón de ciclos de carga / descarga)
  • No necesitan ningún controlador de carga complejo:  sólo debe asegúrese de que el voltaje nunca excede la tensión nominal de la unidad de 2.7V
  • Otra ventaja de los supercondensadores está en su composición, debido a que no presentan elementos tóxicos

Los condensadores en general  almacenan energía por medio de una carga estática frente a una reacción electro química de forma que aplicando un diferencial de voltaje en las placas positivas y negativas se carga el condensador.

Hay tres tipos de condensadores:

  • El más básico es el condensador electrostático con un separador de seco. Este condensador clásico tiene muy baja capacidad  y se utiliza principalmente para sintonizar frecuencias de radio y filtrado. Su valor  varía entre unos pico-faradios (pf) a unos pocos  microfaradios (μF).
  • El condensador electrolítico proporciona mayor capacitancia que el condensador electrostático y se mide en microfaradios (μF), que es un millón de veces más grande que un pico faradio. Estos condensadores desplegan un separador húmedo y se utilizan para el filtrado, almacenamiento en búfer y acoplamiento de la señal. Similar a una batería  cuentan por la capacidad electrostática con un polo positivo y otro negativo que deben respetarse , pero a cambio soportan   una tensión superior en los bornes  respecto a las baterias u otros condensadores.
  • El tercer tipo es el supercondensador  que se diferencia de un condensador ordinario que ofrecen e una capacidad muchísima mas  alta que otrss  condensadores  (existen de  hasta 5000F)  .Han  ha evolucionado  cruzándose en tecnología de la batería mediante el uso de electrodos especiales y electrolitos. Mientras que la básica electroquímica doble capa condensadores (EDLC) depende de la acción electrostática, el condensador  electroquímico asimétrico de capa doble (AEDLC) utiliza electrodos de  batería para obtener una mayor densidad de energía . Los supercondensadores comerciales actuales son de base carbono con un electrolito de metal alcalino o alcalinotérreo.Electrodos de grafeno prometen mejoras  pero estos desarrollos son a largo plazo.

supercap

El supercondensador  puede ser cargado y descargado un número prácticamente ilimitado de veces  lo cual le da una vida util muy superior al de las baterias . A diferencia de la pila electroquímica, que tiene una ciclo definido de vida, hay poco desgaste en  un supercondensador.. En condiciones normales, un supercondensador se desvanece respecto a la capacidad original del 100 por ciento a un 80 por ciento en 10 años(aplicar voltajes mayores que los especificados, acortaran la vida). Asimismo  es indulgente en temperaturas frías y calientes, una ventaja que las baterías no pueden cumplir de la misma manera .

Ciclo de carga

El tiempo de carga de un supercondensador es 1 a 10 segundos  siendo unos de sus puntos mas fuertes  y  no está sujeto a sobrecarga y no requiere detección de carga completa (la corriente simplemente dejara de fluir cuando esté lleno).

En carga, la tensión aumenta linealmente y la corriente cae por defecto cuando el condensador  está cargado sin la necesidad de un circuito de detección de carga completa.

La tensión aumenta linealmente durante una carga de corriente constante. Cuando el condensador está lleno, la corriente cae por defecto.

Supercapacitor Charge Profile

Ciclo de descarga

La descarga de un supercondensador es sustancialmente mayor que la de un condensador electrostático y algo mayor que una batería electroquímica;contribuyendo  el electrolito orgánico a esto. El supercondensador se descarga de 100 a 50 por ciento en 30 a 40 días. Baterias de Plomo y de n litio, en comparación, la autodescarga alrededor del 5 por ciento por mes.

La energía específica de las gamas de la supercondensadores es  de 1Wh/kg 30Wh/kg, 10-50 veces menos de iones de litio  lo cual es una clara desventaja

La curva de descarga es otra desventaja:mientras que la batería electroquímica ofrece una tensión constante en la banda de potencia utilizable, la tensión de la supercapacitor disminuye en una escala lineal, reduciendo  el espectro de energía utilizable.

.En la descarga, el voltaje disminuye linealmente. Para mantener un nivel de potencia constante como las caídas de tensión, un  convertidor DC-DC  es necesario (el extremo de descarga se alcanza cuando ya no pueden cumplirse los requisitos de carga).

Source: PPM Power

Supercapacitor Discharge

En la siguiente tabla podemos ver una  comparación  entre un  supercondensador con  baterías de  Li-ion .

Función

Supercondensador

Ion de litio (general)

Tiempo de carga

Ciclo de vida

Voltaje de la celda

Energía específica (Wh/kg)

Potencia específica (W/kg)

Costo por kWh

Vida de servicio (industrial)

Temperatura de carga

Temperatura de descarga

1 a 10 segundos

1 millón ó 30.000 h

2.3 a 2. 75V

5 (típico)

Hasta 10.000

$10.000 (típico)

10-15 años

-40 a 65 ° C (– 40 a 149 ° F)

-40 a 65 ° C (– 40 a 149 ° F)

10 – 60 minutos

500 y más

3.6V nominales

120 – 240

1.000 – 3.000

$250-$1.000 (sistema grande)

5 a 10 años

0 a 45° C (32 ° a 113° F)

– 20 a 60 ° C (-4 a 140 ° F)

Resumen  ventajas y limitaciones  de los supercondensadores

Supercondensadores son ideales cuando se necesita una carga rápida  para cubrir una necesidad de energía a corto plazo , mientras que las baterías son preferidas  para proporcionar energía a largo plazo.La combinación de los dos en una batería híbrida satisface pues ambas necesidades y reduce la tensión de la batería, que se refleja en una mayor vida útil.

En el otro lado de la balanza  los supercondensadores tienen baja energía específica y son mas costosos en términos de costo por vatio.

A continuación resumimos las ventajas y limitaciones del condensador.

Ventajas 

  • Prácticamente ilimitada ciclo de vida; puede ser un ciclo de millones de tiempo
  • Elevada potencia específica; baja resistencia permite corrientes de carga alta
  • Cargas en segundos; no hay terminación de fin de carga necesaria
  • Carga simple: cargan sólo lo que necesita; no están sujetos a sobrecarga
  • Excelente rendimiento de carga y descarga de baja temperatura
  • No contienen productos químicos ácidos o corrosivos

Limitaciones 

  • Baja energía específica; tiene una fracción de una batería regular
  • Tensión de descarga lineal impiden que utilizen el espectro completo de energía
  • Alta autodescarga; superior a la mayoría de las baterías
  • Bajo voltaje de la célula, requiere serie conexiones con tensión de equilibrio
  • Alto costo por vatio

Aplicaciones

El supercondensador r es utilizado para el almacenamiento de energía, sometidos a frecuentes ciclos de carga y descarga en alta corriente y corta duración

Sus características lo hacen muy útil para las siguientes aplicaciones:

  •  Apoyo energético:Suavizado de la energía. Cubrir picos de demanda sin sobrecargar la red eléctrica.Cubrir interrupciones de suministro de poca duración.Estabilizador de la tensión suministrada por los paneles solares fotovoltaicos.
  • Dispositivos de carga momentánea.
  • Como fuente de energía para el arranque de grandes motores de tanques de guerra y submarinos.
  • Camiones diesel y en locomotoras, funcionando además como freno regenerativo.
  • Uso en vehículos híbridos, por su gran capacidad y su descarga rápida a 5 kW/kg, siendo viable su uso en sistemas de hidrógeno.
  • Supercondensadores son más eficaces colmar lagunas de energía duran desde unos segundos a unos minutos y puede ser recargadas rápidamente. Un volante con cualidades similares, y una aplicación donde el supercapacitor compite contra el volante es el Long Island Rail Road (LIRR) en Nueva York. LIRR es uno de los ferrocarriles más concurridos en América del norte.
  • Para evitar voltaje durante la aceleración de un tren y para reducir el uso de la potencia de pico, un banco de supercapacitor de 2MW está siendo probado en Nueva York contra los volantes que entregan 2.5MW de poder. Ambos sistemas deben proporcionar potencia continua durante 30 segundos en su capacidad respectiva megavatios y recargar completamente en el mismo tiempo.Ambos sistemas deben tener bajo mantenimiento y por último 20 años.
  • Japón también emplea grandes supercondensadores en edificios comerciales para reducir el consumo de la red en horas de demanda pico y la facilidad de carga. Otras aplicaciones son iniciar generadores backup durante cortes de energía y proporcionar energía hasta que se estabiliza el paso de esta.
  • En sistemas de propulsión eléctrica gracias a la virtud de carga ultra rápida durante el frenado regenerativo de corriente alta en aceleración haciendo que el supercondensaror sea  ideal como un potenciador de la carga máxima para los vehículos híbridos, así como para aplicaciones de celdas de combustible. Su rango de temperatura amplio y larga vida ofrece una ventaja sobre la batería  tradicional.

Ejemplo  practico

Todos los condensadores tienen límites de tensión:mientras que el condensador electrostático puede  soportar alto voltajes, el supercondensador  se limita a 2.5 – 2.7V por lo que  para obtener voltajes más altos se necesitan varios condensadores  conectados en serie .

En asociaciones de mas de tres  supercondensadores se  requieren un voltaje de equilibrio para evitar que cualquier célula de a tensión sobrepase la tensión de 2.5 a 2.7   pueda dañarla  (las baterías de iones de litio comparten la misma problemática ) por lo que para poder usar supercondensadores necesitaremos un  circuito de protección adecuado a las capacidades que vayamos a emplear-

Para construir    un arrancador de coches , que  debería proporcionar  entre 12-15V y que incluso pueda servir para suministra corriente continua para otros usos,   se necesita  pues  una   asociacion de supercondensadores

Con  una asociación de 6 condensadores de 400 faradios de   2.7V , en total  la tensión final sera  6x 2.,7= 16V, tensión mas que suficiente  para esta aplicación

 

En cuanto a  la placa de protección una placa muy tipica es la placa  SOLN1-2000. Estas placas  tienen el positivo y el negativo separados uno a cada lado pudiéndose  soldar directamente los supercondensadores a esta . También puede agregar más soldadura para menos resistencia e incluye un led por placa indicador de carga de celda.

balanceadorLas  características de esta placa :

  • Tensión máxima 6 caps 2.7V cada uno en la serie: 16V
  • Corriente de carga máxima: (verifique las especificaciones del superconensador)
  • Máxima corriente de descarga: (verifique las especificaciones del supercondensador)
  • Corriente de ecualización: ≤1A
  • Resistencia DC: ≤ 8mΩ
  • Luz LED roja de equilibrio
  • Tamaño: 240 x 40mm

 

A esta placa ,lógicamente le conectaremos 6 supercondensadores 400F /2.7V.

Un ejemplo de este tipo de condensador es el PowerStor   con las siguientes especificaciones:

 

Capacidad: 400 F;

Tolerancia: + 10%,

Indice: -5%;

Voltaje: 2.7 V;

 

Terminales: Quick Connect,

 

ESR: 0.0032ohm;

Temperatura de funcionamiento: 65 °C;

MSL mínima: -40 °C;

Capacitancia Tolerancia: + 10%, ± -5%;

Rango de temperatura de funcionamiento: -40 °C a + 65 °C

supercap

 

Y como ejemplo ,en el siguiente vídeo podemos ver montado la placa  con los supercondensadores     a la que se han conectado unas bornas para la salida de 16V  junto a un enchufe de mechero  standard   y  lo mas sorprendente: una pequeña dinamo para cargar todo el conjunto en pocos segundos:

 

 

Esta caja es  pues fácil y segura de de hacer al no utiliza baterías, pero como vemos todavía puede alimentar un montón de cosas.

Realmente es un dispositivo muy versátil siendo el gadget  perfecto a tener a mano en caso de  emergencia pues los usos pueden ser muy variados.

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3 comentarios el “Aplicaciones de los supercondensadores

  1. […] a previous post talked about the many advantages of the uses of capacitors such as almost unlimited cycle of […]

    Me gusta

  2. Carlos Alberto Paredes Sarango dice:

    me parecen muy interesantes sus publicaciones y los videos pero mejoraría si los videos fueran en español

    Me gusta

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