capacitores e supercapacitores
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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
QCV
C = capacitância em faradsQ = 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 BateriasEDLC 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
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