Capacitores e Supercapacitores

EEL805 – Condicionamento de Energia

agosto/2010

André Luís M. Mantovani - 14478Daniel Sanches de Carvalho - 14485Luiz Eduardo Souza Santos - 14513Gustavo de Bortoli - 14497Lucas Santana Bittencourt - 14512Paulo Vinicius Fonseca - 14523Tiago José Marques - 14543

Estudar capacitores e supercapacitores Aprofundar a teoria Discutir vantagens e desvantagens Exemplificar Comparar armazenadores de energia

Objetivo

Armazena energia baseado no desequilíbrio interno de cargas elétricas

Não produz elétrons, apenas realoca

Possui dois terminais que são conectados a duas placas metálicas separadas por um dielétrico.

Capacitores

Garrafa de Leyden (1745)

História do Capacitor

Bevis: experimentador liga a garrafa à Terra; o importante é o vidro entre os dois condutores

1750: Aepinus faz experiências que o levam à construção de um capacitor com dielétrico de ar

Atualmente: eletrolíticos e eletrostáticos

História do Capacitor

Princípio de Funcionamento

A propriedade que os capacitores têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância [C]

Propriedades Elétricas

QC

V C = capacitância em farads

Q = carga em coulombs;V = diferença de potencial em volts.

De acordo com o material utilizado como dielétrico

cerâmica (valores baixos até cerca de 1 μF); poliestireno (geralmente na escala de

picofarads); poliéster (de aproximadamente 1 nF até

1F); polipropileno (baixa perda, alta tensão,

resistente a avarias); tântalo (compacto, dispositivo de baixa

tensão, de até 100 μF aproximadamente); eletrolítico (de alta potência, compacto e

perda elevada, na escala de 1 μF a 1000 μF).

Classificação dos Capacitores

Através da inserção de diversos tipos de dielétricos

Os materiais isolantes são caracterizados pelo nível de tensão de ruptura, ou seja, cada dielétrico possui uma rigidez dielétrica que, ao ser rompida torna o dispositivo um condutor

Variação da Capacitância

Cargas de uso rápido Eliminação de ondulações Osciladores (capacitor + indutor) Desacoplamento de sinais Correção do fator de potência DRAM: capacitor + transistor

Aplicações

Correção FP◦ chaveamento causa afundamentoou elevação de tensão

Harmônicos◦ aquecimento (condução), histerese

(frequência)

Ressonância:◦ série (trafo+capacitor): sobrecorrente◦ paralelo (capacitor+carga): sobretensão

Problemas Relacionados à QEE

Supercapacitores

Supercapacitores Condensador eletroquímico que possui

uma grande capacidade de armazenamento de energia quando comparado a capacitores comuns

Enquanto capacitores comuns possuem uma capacitância da ordem de mili, micro ou nanofarads, os supercapacitores são avaliados nas unidades de 1 farad ou mais

O primeiro supercapacitor, baseado em um mecanismo de camada dupla, foi desenvolvido em 1957 pela General Eletronics

Eles foram criados a partir da necessidade de se obter capacitores com uma maior capacidade de armazenamento de energia

História do Supercapacitor

Devido à sua construção e suas características, pode-se dizer que os supercapacitores são um cruzamento dos capacitores convencionais com as baterias eletroquímicas

Comparação com Baterias

Pouca degradação após centenas de milhares de ciclos

Baixa impedância Recarrega rapidamente Baixa toxicidade de materiais usados Possui métodos simples para a recarga

- não há a necessidade de circuito que detecte a carga máxima nem há perigo de extrapolar a quantidade de energia máxima que o capacitor suporta.

Supercapacitores - Vantagens

A quantia de energia armazenada por peso de unidade é consideravelmente mais baixa que o de uma bateria eletroquímica

A tensão varia com a energia armazenada Cada unidade de um supercapacitor possui

uma tensão baixa (2,5 ou 2,7 [V]) - há a necessidade de conexão em série para trabalhar com tensões elevadas

Descarrega-se mais facilmente e de forma mais rápida que uma bateria comum mesmo quando não há intenção de drenar sua energia

Supercapacitores - Limitações

Comparação com Baterias

EDLC Hybrid Capacitor Battery

Tempo para descarregar

1 ~ 30 s 40s ~ 1h 0,3 ~ 3h

Tempo para carregar 1 ~ 30 s 40s ~ 1h 1 ~ 5h

Densidade de Energia (Wh/kg)

1 ~ 5 5 ~10 20 ~100

Densidade de Potência (W/kg)

2000 ~ 5000 500 ~ 1000 50 ~200

Eficiência Carga-Descarga

0,90 ~ 0,95 0,90 ~ 0,95 0,70 ~ 0,85

Ciclos de recarga >200.000 10.000 ~ 50.000 500 ~ 2000

Supercapacitores e baterias não necessariamente encontram-se em competição: pelo contrário, eles podem trabalhar muito bem quando há cooperação entre ambos

Comparação com Baterias

Veículo de transporte público articulado;

Híbrido com células a combustível (hidrogênio)

Amsterdam e Colônia (Alemanha)

140 passageiros Supercapacitores armazenam a

energia vinda da frenagem regenerativa

Nas arrancadas os supercapacitores liberam a energia e transferem potência ao motor

Trens e metrôs podem utilizar a mesma tecnologia

Aplicação

EDLC - Supercapacitor de dupla camada (VINATECH Inc.)

Especificações

Energia de um Supercapacitor

Energia contida em um capacitor de 600 [F], 2,3 [V]:

Energia de 600 capacitores de 600 [F] associados em série onde é aplicado 440 [V] no conjunto:

1 [W] = 1[J/s] 3.600 [J] = 1 [Wh]

Nanotubos de carbono e polímero

Tem propriedades de nanoporosidade excelentes, deixando espaços minúsculos aos polímeros para encaixarem-se no tubo e agir como um dielétrico

Aerogel (um material de alta porosidade) Polímero tem um mecanismo de armazenamento redox (redução-oxidação) junto com uma área de superfície alta

Constituição Física

Supercapacitores e redes sem fios-Elementos Diferenciais

Ausência de rede aérea Pequenas estações

retificadoras (150 kW - 440 V); Retificação > Supercapacitores

> banco de baterias > tração nas rodas

Não emite poluentes Sistema utilizado em Xangai,

China

Automóveis híbridos

Aplicações

Solução viável e confiável para fornecer potência a curto prazo de tempo

Sistemas STATCOM (Compensadores Estáticos), controlam os picos de tensão em sistemas elétricos

São importantes pois aumentam a estabilidade de sistemas elétricos de potência através da melhoria das características transitórias e de amortecimento

Aplicações em Sistemas de Potência

Veículos híbridos

Uso de supercapacitores como buffers

Armazenamento de energia

Sistemas de transferência de potência

Outras Aplicações

Com o passar do tempo, os avanços científicos e tecnológicos possibilitaram a evolução dos capacitores. Sua potência e eficiência também se ampliaram ao longo dos anos. Novos materiais e novas técnicas de fabricação foram sendo empregados na manufatura destes dispositivos indispensáveis em inúmeras aplicações elétricas e eletrônicas

Com o emprego da nano tecnologia nasceu uma nova família de armazenadores de energia: os supercapacitores. Estes possuem a capacitância milhares de vezes maior que seus antecessores. Sua capacidade de descarga energética no tempo é também superior aos capacitores tradicionais. Estes novos dispositivos são muito promissores e suas diversas aplicações ainda estão para ser pesquisadas e aprimoradas. Até o momento, sua utilização tem-se mostrado muito satisfatória

Conclusões