En tutoriales anteriores, analizamos cómo trabajar con un capacitor, las características de un capacitor, varios tipos de capacitores y cómo seleccionar un capacitor para un circuito en particular. Como aprendimos, los condensadores comerciales típicos tienen capacitancia en el rango de picofaradio, nanofaradio o microfaradio. La capacitancia máxima que pueden proporcionar estos condensadores es 1 faradio. Si se requiere una capacitancia más alta, los capacitores deberán ser bastante grandes, lo que puede encajar o no en circuitos electrónicos típicos.
Introduzca el supercondensador. Estos condensadores de tipo electroquímico son pequeños y pueden ofrecer una capacitancia de decenas, cientos o incluso miles de faradios. No sólo almacenan una gran cantidad de carga, sino que también pueden pasar por varios miles de ciclos de carga y descarga sin ningún desgaste. Por eso estos condensadores, también conocidos como ultracondensadores, son útiles en muchas tecnologías emergentes, como vehículos híbridos, filtros activos, energías renovables, UPS, teléfonos inteligentes y dispositivos electrónicos portátiles.
Lo que hacen
Los supercondensadores se utilizan para almacenar una gran cantidad de carga en forma de campo electrostático. Al igual que los condensadores electrolíticos, estos condensadores también utilizan electrolitos líquidos o sólidos. Sin embargo, la forma en que almacenan la carga es totalmente diferente. En los condensadores típicos, la carga se almacena debido a la polarización del material dieléctrico. En los supercondensadores, el electrolito no sirve como dieléctrico. Sólo entrega portadores de carga a los electrodos. En cambio, la carga se almacena mediante la acumulación de portadores de carga opuestos en los electrodos.
Los electrodos de estos condensadores están hechos de carbón activado poroso o nanotubos de carbono, que son capaces de atraer hacia sí una gran cantidad de carga. Una distancia mínima separa los electrodos y dispone de un separador entre ellos para evitar cortocircuitos entre los electrodos porosos. El uso de carbón activado como electrodos y una distancia mínima entre electrodos permite a estos condensadores almacenar una gran cantidad de carga en un tamaño reducido.
Construcción
Los supercondensadores se construyen de manera similar a los condensadores electrolíticos. Tienen dos electrodos fabricados con un recubrimiento poroso de carbón activo o nanotubos de carbono. El recubrimiento se aplica sobre láminas de metal (generalmente de aluminio) que sirven como colectores de corriente. Los colectores de corriente cubiertos con electrodos se sumergen en un electrolito.
Ilustración esquemática de un supercondensador (Imagen: Wikipedia)
El electrolito puede ser líquido o sólido. En la mayoría de los ultracondensadores, se prefieren los electrolitos sólidos debido al mayor voltaje terminal. El electrolito sólido es generalmente un disolvente mezclado con sales conductoras. Normalmente, se utiliza acetonitrilo o carbonato de propileno como disolvente y sales de tetraalquilamonio o litio como solutos. Los colectores de corriente recubiertos de electrodos están separados por un separador (membrana de papel) que es transparente para los portadores de carga pero evita un cortocircuito directo entre los electrodos. Debido al recubrimiento de electrodos de doble cara de los colectores de corriente, estos condensadores también se denominan condensadores eléctricos de doble capa (EDLC).
La naturaleza altamente porosa del material del electrodo permite que estos capacitores atraigan una gran cantidad de portadores de carga del electrolito. Gracias al uso de carbón activado, la superficie efectiva entre los colectores de corriente aumenta muchas veces. La resistencia interna (ESR) del condensador depende del electrolito. Cuanto menor sea la resistencia ofrecida por el electrolito, mayor será la densidad de potencia del condensador.
Los supercondensadores generalmente tienen un voltaje nominal muy bajo que puede oscilar entre 1 V y 3 V. La siguiente ecuación da la energía eléctrica almacenada por un supercondensador:
P = V2 /4R
Dónde,
P es la potencia almacenada por el supercondensador,
V es el voltaje aplicado (o voltaje nominal),
R es la resistencia interna (ESR) del condensador
Cómo trabajan ellos
Cuando se aplica una diferencia de potencial a través de los terminales de un supercondensador, los electrodos comienzan a atraer portadores de carga opuestos del electrolito. Los iones positivos se acumulan en la conexión negativa y los iones negativos se acumulan en la conexión positiva. Los portadores de carga se almacenan en placas colectoras de corriente. Debido a la acumulación de cargas opuestas en los colectores de corriente, se crea un campo electrostático entre ellos. La corriente de carga fluye a través del condensador hasta que el campo electrostático entre los colectores de corriente es igual y opuesto al voltaje aplicado. Los colectores de corriente retienen los portadores de carga hasta que el voltaje aplicado disminuye o cambia de polaridad.
Cada vez que el voltaje aplicado disminuye, un número proporcional de portadores de carga regresa al electrolito desde los colectores de corriente. Durante este proceso, una corriente equivalente fluye a través del condensador en dirección inversa. Cuando la polaridad cambia, el supercondensador pasa por un ciclo de carga y descarga similar.
Se ve que el supercondensador, a pesar de su construcción electroquímica, todavía almacena carga en forma de campo electrostático. Funciona exactamente como cualquier otro condensador. Por eso, a pesar de su construcción similar a la de una batería, los supercondensadores se clasifican como condensadores y no como baterías. En comparación con las baterías, los supercondensadores pueden sufrir varios miles de ciclos de carga y descarga. Por lo tanto, pueden servir como una excelente fuente de carga o reserva de energía en circuitos que funcionan con baterías.
Supercondensadores prácticos
Las celdas de supercondensador tienen un voltaje terminal muy bajo que puede oscilar entre 1 V y 3 V. Al conectar celdas de supercondensadores en serie, se puede multiplicar su voltaje nominal. De manera similar, la conexión en paralelo de células de supercondensadores multiplica la capacitancia efectiva. Como resultado, los supercondensadores se utilizan generalmente como una matriz de celdas donde se conectan en serie a lo largo de filas y en paralelo a lo largo de columnas. La siguiente ecuación proporciona la clasificación de voltaje final del paquete:
V = N * V Celda
Dónde,
V es el voltaje terminal efectivo del paquete
N es el número de filas o número de celdas de supercondensador conectadas en serie en cada columna
V Cell es el voltaje terminal de las celdas de supercondensador individuales.
La siguiente ecuación da la capacitancia efectiva del paquete:
C = (M/N)*C Celda
Dónde,
C es la capacitancia efectiva
M es el número de columnas o número de celdas de supercondensador conectadas en paralelo en cada fila
N es el número de filas o número de celdas de supercondensador conectadas en serie en cada columna
C Cell es la capacitancia de celdas de supercondensadores individuales.
Beneficios
Los supercondensadores tienen las siguientes ventajas notables sobre otros condensadores y baterías:
- Capaz de almacenar una gran cantidad de energía en forma de campo electrostático.
- Alta densidad de potencia y tamaño compacto, lo que los hace adecuados para el almacenamiento de carga en circuitos electrónicos típicos.
- Capacidad para cargar y descargar en un corto espacio de tiempo y puede usarse para satisfacer picos frecuentes en la demanda de energía y puede proporcionar grandes ráfagas de energía durante períodos cortos.
- No involucran reacciones electroquímicas y, por tanto, no presentan desgaste operacional y aumentan la vida útil. Se pueden utilizar cientos de miles de veces sin necesidad de reemplazarlos.
Formularios
Debido a su capacidad de almacenamiento de carga, su pequeño tamaño y su carga y recarga rápidas, los supercondensadores han encontrado aplicaciones en muchas tecnologías emergentes. Uno de los principales ámbitos en los que los supercondensadores acaban reservando un lugar es la industria del transporte. En los vehículos eléctricos, los supercondensadores se utilizan en los sistemas de frenado para almacenar los campos electromagnéticos producidos por los motores de CC. La carga almacenada por los supercondensadores se puede aplicar para alimentar los sistemas eléctricos del vehículo y recargar las baterías. En los vehículos eléctricos, los supercondensadores también pueden servir como reserva de energía para las baterías, por lo que es necesario instalar en ellos baterías más pequeñas. Los vehículos híbridos (que apagan completamente el motor al detenerse) utilizan supercondensadores para reiniciar el motor después de cada parada.
Un supercondensador CAP-XX GW134T Thinline fotografiado con una tarjeta SD, una moneda de diez centavos y una tarjeta de crédito. (Imagen: CAP-XX)
Otra aplicación útil de los supercondensadores es en vehículos de tracción. Los vehículos de tracción pasan por múltiples fases de aceleración, crucero y desaceleración. Los supercondensadores se pueden utilizar en dichos vehículos para hacer frente a las fluctuaciones de voltaje y las pérdidas de energía operativa.
Hoy en día, los supercondensadores se utilizan generalmente junto con unidades de visualización de teléfonos inteligentes, portátiles y ordenadores para encender la pantalla en poco tiempo. También se utilizan en dispositivos de memoria y respaldos de energía.
Los supercondensadores ahora se utilizan en muchos otros espacios de aplicaciones donde se requieren respaldos de energía urgentes o sobretensiones inmediatas. La combinación de supercondensadores con baterías puede permitir fuentes de energía eléctrica más pequeñas y compactas.
En el próximo tutorial, discutiremos los inductores.