trabajo de grado supercondensadores

7/17/2019 Trabajo de Grado Supercondensadores

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SUPERCONDENSADORES COMO COMPLEMENTO PARA BATERIA EN EL

ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR

DAVID LEONARDO CASTILLO LLANOS

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIO

FACULTAD DE INGENERIA ELECTROMECANICA

BOGOTA D.C

2015

1


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SUPERCONDENSADORES COMO COMPLEMENTO PARA BATERIA EN EL

ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR

DAVID LEONARDO CASTILLO LLANOS

Cod. 1043092835

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIO

FACULTAD DE INGENERIA ELECTROMECANICA

BOGOTA D.C

2015

2


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NOTA DE ACEPTACION

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!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

FIRMA PRESIDENTE DE "URADO

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

FIRMA DEL "URADO

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

FIRMA DEL "URADO

Bo#o$% D.C. A#o&$o d' 2015

3


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INTRODUCCION

2. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA........................................................14

2.1 Antecedentes del Problema.................................................................14

2.2 Descripcin del problema....................................................................15

2.3 Formulacin de problema...................................................................16

3. "USTIFICACION....................................................................................16

4. OB"ETIVOS..........................................................................................17

4.1. Objetivo general...............................................................................17

4.2. Espec!icos......................................................................................17

". MARCO DE REFERENCIA......................................................................18

".2 #A$%O &EO$'%O...............................................................................22

".2.1 (eneralidades................................................................................22

".2.2 )erramientas de 'nnovacin.............................................................22

".2.3. *entajas de +upercondensadores....................................................23

".2.4. Automviles ,bridos.......................................................................23

".2.4.1 Actualidad automviles ,bridos......................................................24

".2." Almacenamiento de energa............................................................26

".2.- Autobuses euipados con supercondensadores.................................27

".2./ +upercondensadores.......................................................................28

".2./.1 +istemas basados en supercondensadores.....................................30

".3 #A$%O %O0%EP&A........................................................................33

".3.1 a promesa del +upercondensador...................................................33

".3.2 %mo realia el nuevo electrodo.......................................................34

".3.3 +istema de recuperacin de energa..................................................35

".3.3.1 Dispositivos de almacenamiento de energa..................................35

".3.3.3 #odelo de la atera..................................................................37

".3.3.4 &ecnologa del +upercondensador...............................................38

".3.3." #odelo del +upercondensador....................................................39

".3.3.5 Descarga del +upercapacitor a Potencia %onstante.......................42

".4 #A$%O #E&ODOO('%O....................................................................43

".4.1 &ipo de 'nvestigacin.......................................................................43

4


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".4.2 )iptesis de la 'nvestigacin.............................................................43

".43 &6cnicas de $ecoleccin de datos.....................................................43

-.RESULTADOS DE LA INVESTIGACION...................................................44

-.1 Descripcin del sistema.....................................................................44-.1.1 Panel solar -78 12*....................................................................44

-.1.2 +upercondensadores 2./* "77F....................................................46

-.1.2 $egulador de voltaje de 12 *.........................................................48

-.1.2 atera de 12 *...........................................................................49

-.2 Diagrama el6ctrico sistema................................................................51

-.2.1 Diagrama el6ctrico supercondensadores.........................................53

-.2.1 Diagrama el6ctrico de Optimiacin de energa................................55

-.3 #ontaje............................................................................................57-.4 Pruebas pr9cticas.............................................................................65

-.4.1 Descarga supercondensador.........................................................65

-.4.3 Descarga atera........................................................................72

-.4.4 %arga atera.............................................................................74

-.4." %arga banco solar.......................................................................75

/. GUIA ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR ENSUPERCONDENSADORES.......................................................................78

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LISTADO DE FIGURAS

F(#)*+ 1atera solar.................................................................................14

F(#)*+ 2+upercondensador de 2:/ voltios....................................................16

F(#)*+ 3+upercondensador........................................................................18

F(#)*+ 4Automviles )bridos.....................................................................19

F(#)*+ 5+upercondensador de (ra!eno.......................................................20

F(#)*+ ,Auto buses )bridos......................................................................21

F(#)*+ Esuema Automviles )bridos.......................................................24

F(#)*+ 8atera (ra!eno............................................................................25

F(#)*+ 9 automviles *olvo.........................................................................26F(#)*+ 10Autob;s supercondensadores.......................................................28

F(#)*+ 11 +upercondensador de 477 Faradios


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LISTA TABLAS

T+-+ 1 %oe!icientes de temperatura..............................................................45

T+-+ 2 Especi!icaciones tecnicas.................................................................46

T+-+ 3 Especi!icaciones tecnicas.................................................................47

T+-+ 4Especi!icaciones tecnicas.................................................................48

T+-+ 5 Descarga de supercondensadores....................................................66

T+-+ ,%arga +upercondensadores 1..........................................................68

T+-+ %arga +upercondensadores 2..........................................................70

T+-+ 8 Descarga de la batera...................................................................72T+-+ 9 %arga atera................................................................................74

T+-+ 10 %arga +istema.............................................................................76

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LISTA DIAGRAMA

D(+#*+/+ 1 Diagrama el6ctrico sistema........................................................52

D(+#*+/+ 2 Diagrama supercondensadores..................................................53

D(+#*+/+ 3 Diagrama Optimiacin.............................................................56

8


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LISTA GRAFICAS

G*+(+& 1 Descarga +upercondensador......................................................67

G*+(+& 2 %arga +upercondensador 1.........................................................69

G*+(+& 3%arga +upercondensador 2.........................................................71

G*+(+& 4 Descarga atera.......................................................................73

G*+(+& 5%arga atera...........................................................................75

G*+(+& , %arga +istema..........................................................................77

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RESUMEN

El presente trabajo de investigacin tiene como objetivo principal dise>ar unsistema de almacenamiento de energa solar: para este !in se emplean nuevas

tecnologas ue sirvan como complemento a la batera en su proceso de carga ?

durante el tiempo ue se encuentre descargada.

Por tal ran los supercondensadores surgen como un componente idneo para

almacenar los picos de energa generados por destellos de lu solar durante el

trascurso del da.

Para lograr el objetivo el presente trabajo se ,a dividido en dos partes a saber@

na primera parte donde el lector podr9 encontrar todos los conceptos tericos del

!uncionamiento de los +upercondensadores ? de las aplicaciones dadas en el

mundo ? una segunda parte donde se describir9n los resultados encontrados en la

implementacin de los +upercondensadores como complemento durante la carga

de la batera ? del !uncionamiento del banco solar.

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ABSTRACT

&,is degree orB ,as as main objective to design a s?stem !or storing solarenerg?: ne tec,nologies !or t,is purpose serve to supplement t,e batter?

c,arging process and in addition during t,e time it is disc,arged are used.

For t,is reason supercapacitors emerge as a suitable component !or storing

energ? peaBs generated b? !las,es o! sunlig,t during t,e da?.

&o ac,ieve t,e goal o! t,is orB ,as been divided into to parts namel?@ a !irst part,ere t,e reader ill !ind all t,e t,eoretical concepts o! t,e operation o!

+upercapacitors and application given in t,e orld and a second section ill be

described t,e results encountered in t,e implementation o! +upercapacitors

supplement during batter? c,arging and operation o! t,e solar banB.

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INTRODUCCION

En un mundo globaliado ? cada ve m9s competitivo: se busca emplear nuevas

tecnologas ue sirvan como solucin a problemas presentes en elaprovec,amiento de la energa solar: por tal motivo se busca tener ma?or

e!iciencia en el proceso de almacenamiento de dic,a energa.

os supercondensadores son dispositivos ue contribu?en en el almacenamiento

de energa: logrando con ellos tener ma?or capacidad de carga en menos tiempo

de los ue se lograran con una batera tradicional.

En el presente trabajo de grado se dan a conocer los pasos ? resultados de la

construccin del banco solarC tratando de comprobar las cualidades de los

supercondensadores: logrando optimiar la energa proporcionada por el panel

solar ? su almacenamiento. Para este !in el investigador se apo?ar9 en los

conocimientos aduiridos durante la carrera: las ense>anas ? aportes de los

educadores en el campo de almacenamiento de energa: lo cual permite dise>ar e

implementar un sistema basado en energa solar.

&ambi6n se mostraran los c9lculos: las gr9!icas obtenidas en las pruebas de carga

? descarga de la batera ? del sistemaC evidenciando su comportamiento en estos

dos procesos.

Adicionalmente los supercondensadores son dispositivos de potencia ue pueden

almacenar r9!agas de energa en cortas !racciones de tiempo ? pueden

proporcionar descargas de energa en cortos tiemposC logrando unaprovec,amiento de la energa generada por el sistema solar. o anterior se

tratar9 de comprobar con las pruebas a realiar durante el desarrollo del

presente trabajo de grado.

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El investigador buscar9 dise>ar e implementar un sistema el cual pueda

almacenar la totalidad de la energa generada por un panel solar de -7 vatiosC

para ello es de vital importancia utiliar las cualidades de r9pido almacenamiento

de los supercondensadores.

Adicionalmente se dise>ar9n los respectivos diagramas el6ctricos del sistema:

implementando las normas industriales sobre la codi!icacin de colores de las

instalaciones el6ctricas ? de proteccin de las mismas.

El presente trabajo contendr9 todas los ,allagos ? resultados propios del

desarrolloC esperando ue dic,as vivencias sirvan como !undamentos paratrabajos !uturos sobre el almacenamiento de energa.

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2. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA

2.1 A$''d'$'& d' P*o-'/+

as bateras: son elementos dise>ados para el almacenamiento de energa: sin

embargo durante su proceso de carga se reuieren tiempos mu? largos: por esta

ran no tienen la capacidad de almacenar los picos m9imos de energa

producida por un panel solar.

as bateras convencionales: son dispositivos ue tienen alta densidad de energa

? pueden almacenar una gran cantidad de energa el6ctrica: dic,o proceso

reuiere ,oras para cargar ? descargar.

Adicionalmente en los sistemas donde la energa es proporcionada por la batera

se presenta un problema cuando 6sta es descargada totalmente: dado ue para

volverla a cargar toma un tiempo largo.

F(#)*+ 1 atera solar

F)'$'@ ,[email protected].,tml

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2.2 D'&*(( d' *o-'/+

Actualmente en la !acultad de ingeniera mec9nica se cuenta con un sistema de

paneles solares dise>ado e implementado para el aprovec,amiento de energasolar: para almacenar esta energa se usa una batera: la cual se encuentra

limitada en su velocidad de carga dadas a sus caractersticas !sico umicas: lo

cual ,ace ue se pierda gran cantidad de energa cuando se tiene alta radiacin

solar.

%uando se suministra energa a una carga se reuiere de tiempo signi!icativo para

la descarga: lo cual es un inconveniente cuando se tienen cargas ue necesitanalto suministro de corriente en un intervalo peue>o de tiempo.

Adicionalmente los sistemas instalados no cuentan con un mecanismo ue de

apo?e a la batera en momentos ue se encuentre descargada totalmente:

creando as un problema para el !uncionamiento del sistema en tempranas ,oras

del da ? en momentos ue la batera no cuente con carga.

Por tal ran se ,ace necesario implementar un mecanismo ue nos a?ude a

mejorar la e!iciencia de la batera durante el proceso de carga ? descarga.

&ambi6n es necesario dise>ar un sistema ue proporcione apo?o a la batera en

momentos ue no cuente con la energa su!iciente para el !uncionamiento del

sistema.

Esperando as tener el ma?or almacenamiento de la energa generada por el

panel solar ? una alta e!iciencia del sistema durante su !uncionamiento.

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2.3 Fo*/)+( d' *o-'/+

Ga implementacin de +upercondensadores como complemento para la carga ?

descarga de la batera permitir9 tener m9s e!iciencia en el proceso dealmacenamiento ? distribucin de la energa solarH

3. "USTIFICACION

a duracin de las bateras depende de la cantidad de carga ue almacenen:

independientemente de su uso. &ienen una vida ;til de unos 3 a>os o m9s si se

almacenan con un 47I de su carga m9ima: cualuier batera:

independientemente de su tecnologa: se deteriora si se almacena sin carga.

os supercondensadores pueden ser cargados ? descargados entre cien ? mil

veces m9s r9pido ue una batera convencional: estos dispositivos son una nueva

clase de bateras. )asta a,ora: los supercondensadores ,an reemplaado a las

bateras en aplicaciones tales como reservas para electricidad ? electrnica: al

control de las ,ojas de las turbinas ? la apertura de emergencia de las puertas del

autob;s.

F(#)*+ 2 +upercondensador de 2:/ voltios

F)'$'@ .supercondensadores.com

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4. OB"ETIVOS

4.1. O-'$(6o #''*+

%onstruir un banco con un panel solar de "7 vatios: una batera de litioion

calculada para esta potencia: supercondensadores en paralelo con la !uente:

cargas ? una gua ue permita realiar una pr9ctica de laboratorio.

Optimiar el uso de la batera en el almacenamiento de energa solar con el uso

de supercondensadores conectados en paralelo con la batera.

4.2. O-'$(6o& E&'7(o&

%onstruir un banco solar similar a los eistentes en la !acultad de ingeniera

electromec9nica adicion9ndoles los supercondensadores. $ealiar el an9lisis de energa de carga de la batera generando los datos ?

represent9ndolos en !orma gr9!ica. (enerar los datos de tiempo de carga de la batera: as mismo midiendo

estas variables al momento de la descarga de la batera ? de los

+upercondensadores. Dise>ar una gua ue permita realiar una pr9ctica con el banco para el

aprendiaje de los estudiantes de 'ngeniera Electromec9nica ? #ec9nica

de la niversidad Antonio 0ari>o.

5. MARCO DE REFERENCIA

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Durante el desarrollo del presente trabajo se encontr entre otros los siguientes

trabajos relacionados con supercondensadores en el almacenamiento de

energa@

'D&ec,E: empresa dedicada a la investigacin de mercados ? en!ocada a nuevas

tecnologas: ,a publicado un interesante estudio comparando la viabilidad de las

bateras de ion litio ? la incipiente mejora de los supercondensadores.

F(#)*+ 3 +upercondensador

F)'$'orococ,eselectricos.com

+eg;n el estudio J+upercapacitors can destro? t,e lit,iumion marBetK los avances

en supercondensadores durante los ;ltimos a>os se ,an sucedido muc,o m9s

r9pido ue en el campo de las bateras de ion litio: lo ue podra poner en jaue el

mercado de est9s ultimas.

F(#)*+ 4 Automviles )bridos

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F)'$',ttp@!orococ,eselectricos.

a principal di!erencia entre bateras ? supercondensadores es ue los

supercondensadores son acumuladores !sicos: no umicos como las bateras: ?

su sistema de almacenamiento se basa en la separacin de cargas. as cargas se

desplaan muc,o m9s r9pido ue los iones


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F)'$',ttp@!orococ,eselectricos.

+in embargo 'D&ec,E calcula ue para 2724 el mercado de supercondensadores

alcanar9 los -."77 millones de dlares: superando al de las bateras. Esta

prediccin tan arriesgada se !undamenta en los ;ltimos logros en

supercondensadores: ue en algunos casos ,an demostrado capacidades de 3"

8,Bg. Aunue no pareca muc,o 0anotune &ec,nologies asegura ue alcanar9

los "77 8,Bg en los primos a>os: doblando la densidad energ6tica de las

actuales bateras de ion litio.

Pero no se trata solo de 0anotune: #aell &ec,nologies: un gigante del sector de

condensadores: espera triplicar mu? pronto la densidad energ6tica de sus

productos ? los !abricantes de condensadores basados en gra!eno ue apuntan a

los 277 8,Bg. 2

F(#)*+ ,Auto buses )bridos

2 http://forococheselectricos.com/2014/07/los-supercondensadores-acaaran-con-las-aterias-de-ion-litio.html

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F)'$'@ ,ttp@!orococ,eselectricos.

En cualuier caso los epertos creen ue los condensadores no tienen ue llegar

a igualar en capacidad a las bateras de ion litio para ,acerse con un buen troo

del mercado de bateras. (racias a otras ventajas: como duracin: potencia ?

seguridad: ?a se ,a ,ec,o con un 1I de este mercado teniendo tan solo una

cent6sima parte de esa densidad energ6tica.

El Dr. Peter )arrop: coautor del estudio: pronostica ue una mejora desde los /

8,Bg actuales a 47 8,Bg podra multiplicar por 17 la participacin de esta

tecnologa en el mercado: incluso teniendo en cuenta !uturas mejoras en el

rendimiento de las bateras de ion litio. Alcanar la ci!ra de 177 8,Bg igualara la

luc,a entre las dos tecnologas.3

os supercondensadores encuentran su uso en autobuses ,bridos: como los ue

recorren arcelona ? muc,as ciudades %,inas: Estadounidenses: en el sistema dearranue de camiones ? seran un complemento per!ecto para ve,culos ,bridos.

3.L. indu,ea: A.%. $en!re: #. arnes: Jltracapacitor Energ? +torage !or #icro(rid #icrogenerationK:t,e 4t, 'nternational %on!erence on Poer Electronics: #ac,ines and Drives: 2775.

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5.2 MARCO TEORICO

5.2.1 G''*+(d+d'&

os supercondensadores son dispositivos electroumicos capaces de sustentar

una densidad de energa alta en comparacin con los condensadores normales:

presentando capacitancias miles de veces ma?or ue la de los condensadores

electrolticos de alta capacidad.

5.2.2 '**+/('$+& d' Io6+(

El primer supercondensador !ue patentado por el ingeniero el6ctrico ). E. ecBeren 1M"/: ? se basaba en el principio de aumento del 9rea de las placas:

produciendo un aumento en el 9rea de las placas ? por tanto en la capacitancia.

El primer supercondensador comercial lo !abric +tandard Oil o! O,io en 1M-M:

con una inter!a de carbono. A pesar de los enormes problemas derivados de la

enorme resistencia interna de los primeros supercondensadores: en los siguientes

veinte a>os !ueron utiliados para el desarrollo de los primeros magnetoscopiosC

usando para ello inter!aces de carbono con placas de aluminio en plasma. 4

En 1MM1: se !abric elprimer supercondensador ue present una baja resistencia

interna. Estos dispositivos genero un gran inter6s por su posible aplicacin en

automviles ,bridos: por lo ue se impuls su investigacin en todo el mundo.na

de las m9s importantes !ue la iniciada en 1MM5 por el Departamento de Energa de

los Estados nidos ? ue a;n sigue vigente: actualmente los supercondensadores

comerciales son de base carbono con un electrolito de metal alcalino. El principal

productor es #aell: actualmente la investigacin con supercondensadores se

4!e.in".puc.cl/po!er/alumno12/almacena/#upercondensadores.html

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est9 en!ocando en autos ,bridos ? su uso en sistemas de energa solar ? energa

elica. "

5.2.3. V'$++& d' S)'*od'&+do*'&

a investigacin en supercondensadores se encuentra motivada por las enormes

ventajas ue su uso representa para el desarrollo de circuitos el6ctricos como@

(ran perodo de operacin %apacidad de manejar altos valores de corriente *alor de carga !9cil de monitorear Alta e!iciencia (ran rango de tensin (ran rango de temperatura %iclos de !uncionamiento largos Facilidad de mantenimiento

5.2.4. A)$o/6('& :7-*(do&

En cuanto las aplicaciones de los supercondensadores: 6stos pueden utiliarse en

automviles el6ctricos o ,bridos. Otorgaran la enorme carga el6ctricaalmacenada en mu? poco tiempo ue a?udaran a accionar el motor el6ctrico

cuando el ve,culo se encuentre en alto total. Posteriormente: el

supercondensador se volvera a cargar relativamente r9pido para volver a ceder

su carga el6ctrica en alg;n otro alto. ajo este mismo principio: un

supercondensador podra apo?ar con potencia el6ctrica a un motor de un

elevador: por ejemplo. &ambi6n: podra utiliarse para alimentar el6ctricamente

dispositivos electrnicos como mviles: relojes: c9maras !otogr9!icas: entre otros:

durante periodos relativamente largos. -

5http://!e.in".puc.cl/po!er/alumno12/almacena/#upercondensadores.html

6,[email protected]

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F(#)*+ Esuema Automviles )bridos

F)'$',[email protected]

supercondensadores

5.2.4.1 A$)+(d+d +)$o/6('& :7-*(do&

El nuevo nano material testado por *olvo: permite !abricar pieas de coc,e

capaces de almacenar la energa del !reno regenerativo para alimentar ,asta con

12 voltios el sistema del coc,e: reduciendo el peso del ve,culo ,asta en un 1"I.

a implementacin de bateras ? sistemas de almacenamiento de energa m9s

e!icientes en los coc,es ,bridos ? el6ctricos supondr9 todo un revulsivo para esta

industria ? el despegue de!initivo de este tipo de ve,culos sostenibles dentro del

mercado del automvil. Por eso compa>as automovilsticas como *olvo ,an dado

un paso m9s en esta carrera de !ondo: desarrollando un revolucionario sistema de

almacenamiento de energa para coc,es el6ctricos ue tratar9 de sustituir a las

bateras actuales.

a novedad de este nuevo sistema reside en la implementacin de bateras nano

estructuradas ? supercondensadores ue podran o!recer un almacenamiento de

energa m9s ligero ? con un menor consumo de espacio en el ve,culo.

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F(#)*+ 5 atera (ra!eno

F)'$'@ ,ttp@blogt,inBbig.combateriascoc,esgra!eno

a solucin al problema de las bateras actuales se ,a centrado en el dise>o de un

nuevo compuesto a partir de la combinacin de !ibra de carbono ? una resina

polim6rica: con la ue se obtiene un nano material ue colabora de !orma conjunta

con supercondensadores estructurales. Este compuesto permite ser moldeado

gracias a la !ibra de carbono para adaptarse a la !orma de las di!erentes partes del

ve,culo: uedando completamente integrado en la propia carrocera: los panelesde las puertas ? el portn del maletero.

De esta !orma se consigue un a,orro considerable del peso ? el espacio ocupado

por estos componentes: uedando los supercondensadores per!ectamente

integrados en la estructura del ve,culo. El material se recarga bien por el uso del

!reno regenerativo: bien conect9ndose a una !uente de alimentacin tal ? como lo

,acen los ve,culos ,bridos o el6ctricos actuales. Dic,a energa almacenada en

el material: se trans!iere al motor el6ctrico ? al resto de sistemas el6ctricos del

ve,culo: permitiendo tiempos de recarga ? almacenamiento muc,o m9s r9pidos

ue las bateras actuales.

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F(#)*+ 9 automviles *olvo

F)'$'@ ,ttp@blogt,inBbig.combateriascoc,esgra!eno

5.2.5 A/+'+/('$o d' ''*#7+

no de los usos m9s etendidos de supercondensadores es su uso en sistemas

micro electrnicos: memorias de computadoras: relojes ? c9maras de alta

precisin. +u uso permite mantener el !uncionamiento de los dispositivos durante

,oras e incluso das. na aplicacin estudiada ampliamente en la actualidad es el

uso de supercondensadores en sistemas P+. +e utilian para !acilitar la

trans!erencia de energa: ,acer m9s e!iciente la carga de energa el6ctrica:

permitiendo el aislamiento de los sistemas P+ para el !uncionamiento de

sistemas el6ctricos.

n euipo de investigadores de una universidad de %orea del +ur ,a conseguido

producir bateras para coc,e basadas en supercondensadores de gra!eno en

polvo: ue se pueden cargar en segundos: ? ue adem9s tras muc,os ciclos no

pierden capacidad de carga signi!icativa. a capacidad de estas bateras sera del

orden de las de litios empleadas actualmente de !orma masiva. /

7,ttp@blogt,inBbig.combateriascoc,esgra!eno

26
http://blogthinkbig.com/baterias-coches-grafeno/http://blogthinkbig.com/baterias-coches-grafeno/


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os supercondensadores pueden cargar ? descargar entre cien ? mil veces m9s

r9pido ue las bateras convencionales. Esta nueva clase de bateras: llamadas

supercondensadores a micro escala a base de gra!eno: est9n ,ec,as de una capa

de un 9tomo de carbono de espesor. Adem9s: su !abricacin es relativamentesencilla ? se podr9 integrar !9cilmente a distintos aparatos. Para desarrollar su

nuevo micro supercondensador: los investigadores utiliaron una l9mina

bidimensional de carbono: conocido como gra!eno.

5.2., A)$o-)&'& ';)(+do& o &)'*od'&+do*'&

En Pars est9n probando autobuses ,bridos de la empresa #A0 euipados con

supercondensadores aparte de un motor di6sel. El arranue lo realian los

motores el6ctricos con la energa de los supercondensadores ? el motor di6sel se

pone en !uncionamiento una ve el autob;s est9 en marc,a. As se obtiene un

a,orro de combustible del 272"I ? una reduccin de la contaminacin sonora. 5

F(#)*+ 10Autob;s supercondensadores

8,[email protected]"paristestsane,?bridbust,atusesultracapacitors

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28/82

F)'$'@ .autobloggreen.com

5.2. S)'*od'&+do*'&

os supercondensadores est9n !ormados por pares de placas conductivas

separadas por un medio diel6ctrico. Nstos se di!erencian de un condensador o

capacitor normal en ue o!recen una alta capacitancia en poco espacio. Adem9s:

los supercondensadores tienen una super!icie de electrodos signi!icativamente

m9s grande ue la de los condensadores normales: acoplada con una placa

el6ctrica delgada entre el electrodo ? el electrolito.

&ienen la capacidad de ser cargados ? descargados en mu? poco tiempo: lo cual

los ,ace apropiados antes interrupciones de suministro de poca duracin.

Desarrollos recientes ,an logrado ue esta tecnologa pueda lograr una densidad

de energa de -78,Bg ? densidad de potencia de 177.777 8Bg. n condensador

de alta capacidad tiene un gran rendimiento


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F)'$'@ .supercondensadorespolianilna

Adem9s de los supercondensadores de carbono: ,a? otros con una ma?orcapacidad a;n. (eneralmente est9n basados en polmeros conductores como la

polianilina: el polipirrol: el politio!eno: entre otros.

as capacidades de los supercondensadores basados en polmeros conductores

est9n en el orden de los cientos de Faradios por gramo. Para una velocidad de

carga ? descarga ma?or: es pre!erible ue el polmero sea lo m9s poroso posible.

Esto !acilita la interaccin de los iones en solucin con las cadenas polim6ricas.a ventaja de estos dispositivos con respecto a los de carbono: es ue pueden

almacenar cientos de veces m9s carga el6ctrica: la desventaja: es ue su vida ;til

es sensiblemente menor. Actualmente: se realia una amplia investigacin

cient!ica para ,acerlos m9s e!icientes.

Posteriormente: el supercondensador se volvera a cargar relativamente r9pido

para volver a ceder su carga el6ctrica en alg;n otro alto. ajo este mismo

principio: un supercondensador podra apo?ar con potencia el6ctrica a un motor de

un elevador.

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30/82

%omo podemos ver: el supercondensador sera un dispositivo intermedio entre

una batera el6ctrica ? un condensador convencional. En ciertas condiciones

podra utiliarse como batera: ? en otras: como condensador. +era como obtener

un enorme tanue para almacenar agua: ue a veces tenga la !uncin de presa: ?a veces de tanue para el lavado de botellas: como vimos en nuestra analoga.

5.2..1 S(&$'/+& -+&+do& ' &)'*od'&+do*'&

os supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energa el6ctrica

en !orma de cargas electroest9ticas con!inadas en peue>os dispositivos:

!ormados por pares de placas conductivas separadas por un medio diel6ctrico. a

construccin ? !uncionamiento es similar a un condensador convencional a gran

escala. n supercondensador puede llegar a tener capacidades del orden de miles

de !aradios. os supercondensadores son caracteriados por poder ser cargados ?

descargados en brevsimos perodos de tiempo: del orden de segundos o menos:

lo cual los ,ace especialmente apropiados para responder ante necesidades de

puntas de potencia o ante interrupciones de suministro de poca duracin. Ello es

debido a ue el almacenamiento de cargas es puramente electroest9tico.

F(#)*+ 12 +upercondensadores varios

F(#)*+@ As,utos, . +ing, ? alan #andar

30


31/82

En los ;ltimos a>os: los supercondensadores ,an surgido como una alternativa o

complemento importante para otros dispositivos de produccin o almacenamiento

de energa el6ctrica como las pilas de combustible o las bateras. a principal

virtud del primero !rente a los dos ;ltimos es la ma?or potencia ue es capa dein?ectar: aunue poseen una menor densidad de energa. Otras caractersticas de

los supercondensadores son la rapide de carga ? descarga: pueden proporcionar

corrientes de carga altas: cosa ue da>a a las bateras: el n;mero de ciclos de

vida de los mismos: del orden de millones de veces: no necesitan mantenimiento:

trabajan en condiciones de temperatura mu? adversas ? por ;ltimo: no presentan

en su composicin elementos ticos: mu? com;n en bateras.

a principal desventaja de los supercondensadores es la limitada capacidad de

almacenar energa. En realidad debido a sus di!erentes prestaciones:

condensadores ? bateras no son sistemas ue rivalicen entre s: sino m9s bien se

pueden considerar en muc,as aplicaciones como sistemas complementarios

donde la batera aporta la energa mientras el supercondensador aporta los picos

de potencia.

os materiales estudiados como electrodos para supercondensadores son

principalmente de tres tipos@ idos de metales de transicin: polmeros

conductores ? materiales de carbono activados. %on idos met9licos se ,an

conseguido valores de capacidad mu? altos: pero estos supercondensadores

tienen la desventaja de ue son ecesivamente caros ? por lo tanto slo se utilian

en aplicaciones militares ? en la industria aeroespacial. El uso de polmeros

conductores tambi6n puede dar lugar a capacidades relativamente altas: pero

estos materiales presentan el inconveniente de ue su!ren ,inc,amiento ?contraccin: lo cual es indeseable puesto ue pueden ocasionar la degradacin de

los electrodos durante los ciclos de carga ? descarga. Finalmente: los materiales

de carbono se presentan como los materiales activos del electrodo m9s atractivos:

debido a su bajo coste relativo: elevado 9rea super!icial


32/82

m2g1= ? gran disponibilidad. Adem9s: los materiales de carbono pueden

presentar unas estructuras di!erentes.

#uc,os cient!icos est9n trabajando para desarrollar: supercondensadores de bajocosto ligeros verdes con un alto rendimiento: ? a,ora dos investigadores ,an

desarrollado un nuevo electrodo supercondensador basado en una nano

estructura ,brida ,ec,a de un ido de ido de ,ierro cubierta eterior de nuel

,brido ? un conductor de ,ierronuel n;cleo. +u estructura de n;cleo: cortea

podra signi!icar m9s r9pido el tiempo ? duracin de la batera de carga en los

ve,culos el6ctricos ? electrnicos port9tiles. M

F(#)*+ 13 %omposicin +upercondensadores

F)'$'@ As,utos, . +ing, ? alan #andar %entro 0acional +0 ose

de %iencias 9sicas

9$shutosh %. #in"h & %al&an 'andal / (entro )acional #) *ose de (iencias *+sicas, ndia

32


33/82

+on electrodos de supercondensadores de alto rendimiento. En la 'uierda de la

Figura 13 se muestra@ campo de microscopio electrnico de barrido de emisin ?

microscopio electrnico de transmisin microgra!asC en la Derec,a@ vista en

seccin de un solo nano estructura ,brida.

%omo un dispositivo de almacenamiento de energa: los supercondensadores ,an

atrado una atencin considerable en los ;ltimos a>os debido a su ultraalta carga

? velocidad: ecelente estabilidad: vida de ciclo largo ? mu? alta densidad de

potencia de la descarga. 'magnese cargar su tel6!ono celular en tan slo unos

segundos o repostar un coc,e el6ctrico en m9s ue unos minutos: ue son a la

ve parte del !uturo prometedor ue supercondensadores podan o!recer.

5.3 MARCO CONCEPTUAL

En un artculo publicado en la revista Lornal o! App lied P,?sis: de A'P Publis,ing:

se in!orma de la t6cnica de !abricacin del electrodo nano estructura ,brida:

&ambi6n demuestran su rendimiento superior en comparacin con: electrodos de

supercondensadores no ,bridos eistentes. Puesto ue el ido de nuel ? ido

de ,ierro son materiales respetuosos con el medio ambiente ? baratas ue est9n

ampliamente disponibles en la naturalea: la novela electrodo promete

supercondensadores de bajo costo verde ? en el !uturo.

5.3.1 L+ *o/'&+ d' S)'*od'&+do*

os +upercondensadores son dispositivos electrnicos utiliados para almacenar

una cantidad etremadamente grande de cargas el6ctricas. &ambi6n sonconocidos como condensadores electroumicos: ? prometen alta densidad de

potencia: capacidad de velocidad alta: la estabilidad del ciclo ecelente ? alta

densidad de energa.

33


34/82

En los dispositivos de almacenamiento de energa: almacenar una carga el6ctrica

se llama Qdensidad de energaQ: una distincin de la Qdensidad de potenciaQ: ue

se re!iere a la rapide con la energa ue se entrega. %ondensadores

convencionales tienen alta densidad de potencia pero baja densidad de energa: loue signi!ica ue pueden cargar ? descargar r9pidamente ? liberar una r9!aga de

energa el6ctrica en un corto tiempo: pero no pueden contener una gran cantidad

de cargas el6ctricas.

as bateras convencionales: por otro lado: son lo contrario. &ienen alta densidad

de energa o puede almacenar una gran cantidad de energa el6ctrica: pero puede

tomar ,oras para cargar ? descargar. os +upercondensadores son un puenteentre los condensadores ? las bateras convencionales: ue combina las

propiedades ventajosas de alta potencia: alta densidad de energa ? baja

resistencia interna: ue puede reemplaar las bateras como !uente de energa

potencialmente m9s segura ? r9pida: !iable ? de dispositivos electrnicos ?

el6ctricos port9tiles en el !uturo.

En los supercondensadores: la alta capacidad: o la capacidad de almacenar una

carga el6ctrica: es !undamental para lograr una ma?or densidad de energa.

#ientras tanto: para lograr una ma?or densidad de potencia: es crtico tener una

gran 9rea de super!icie electroumicamente accesible: alta conductividad el6ctrica

? caminos de di!usin de iones cortos. #ateriales nanos estructurados activos

proporcionan un medio para estos !ines.

5.3.2 C/o *'+(


35/82

electrodos nanos estructura de conc,a: el electrodo de material ,brido demostr

ma?or capacidad: ma?or densidad de energa ? una ma?or carga: tiempo de

descarga.17

5.3.3 S(&$'/+ d' *')'*+( d' ''*#7+

5.3.3.1 D(&o&($(6o& d' +/+'+/('$o d' ''*#7+

os dispositivos de almacenamiento de energa se pueden clasi!icar en dos tipos

de acuerdo a la !orma en ue almacenan la energa@ dispositivos de

almacenamiento directo ? de almacenamiento indirecto. En el almacenamiento

directo si la energa es el6ctrica se almacena en dispositivos el6ctricosC si la

energa es magn6tica: eisten sistemas de almacenamiento de energa magn6tica

por superconduccin. os supercondensadores almacenan la carga el6ctrica por

medio de sus electrodos mientras ue los magn6ticos almacenan la carga

magn6tica a trav6s de un n;cleo superconductor. En el almacenamiento indirecto

se usan t6cnicas para almacenar la energa en !orma de calor: aire comprimido e

,idrgeno sin embargo: esta !orma no es tan e!ectiva pues ,a? ocasiones en ue

se pierde m9s energa de la ue se puede almacenar. En el transporte las bateras,an sido la !uente de energa el6ctrica durante muc,os a>os ? ,o? en da en

combinacin con los supercondensadores: resultan ser en conjunto una !uente de

energa atractiva ? e!iciente para su aplicacin en ve,culos el6ctricos. 11

10$shutosh %. #in"h, %al&an 'andal n"eniera de alta electrodo supercapacitor rendimientoasado en e-)i / e23-)i11simulacin de un sistema de recuperacin de ener"a asado ensupercapacitores con aplicacin en traccin elctrica tesis/ in". +n "nacio u+re ern+nde

35


36/82

F(#)*+ 14Diagrama loues

F)'$'@ %lasi!icacin de los Dispositivos de Almacenamiento de Energa

5.3.3.2 T'oo#7+ d' + B+$'*7+

a batera es un dispositivo indispensable en el accionamiento del motor de

ve,culos de combustin interna ? ve,culos el6ctricos. )a sido utiliada durante

muc,os a>os debido a su alta densidad de energa. na batera es una unidad

el6ctrica ? mec9nica ue convierte energa umica en energa el6ctrica cuando se

descarga ? viceversa cuando se carga. En la ma?ora de los casos una batera es

un arreglo de celdas electroumicas en la cuales se genera un potencial el6ctrico

entre los electrodos


37/82

ion=. %on la aparicin de los supercondensadores 13? combin9ndolos con la batera

es posible etender el tiempo de vida de una batera.

Para las aplicaciones de en una batera se debe tener en cuenta lo siguiente@

Densidad de energa@ cantidad de energa almacenada por unidad de masa. Densidad de potencia@ cantidad de potencia por unidad de masa. *oltaje de cada celda@ voltaje en las terminales de una celda elemental. E!iciencia@ la ran entre la energa ue entrega la batera ? la energa

reuerida por la batera para regresar al estado inicial de la descarga. &emperatura de operacin. $an de auto descarga.

%iclos de carga. $an de cargaC la ran a la ue la energa es regresada a la batera

5.3.3.3 Mod'o d' + B+$'*7+

a batera se modela !recuentemente como una !uente de voltaje en serie con una

$esistencia. Debido al proceso electroumico de la batera no es !9cil modelar el

comportamiento por lo ue eisten modelos complejos en la literatura ue

modelan las ateras de plomo9cido: a partir de la determinacin de algunos

par9metros como la temperatura ? la capacidad nominal de carga ? descarga.

F(#)*+ 15 #odelo El6ctrico de la atera.

13simulacin de un sistema de recuperacin de ener"a asado ensupercapacitores con aplicacin en traccin elctrica tesis/ in". +n "nacio u+re ern+nde

37


38/82

F)'$'@simulacin de un sistema de recuperacin de energa basado en

+upercapacitores

Este modelo asume ue la resistencia interna es constante durante los ciclos de

carga ? descarga ? no vara con la amplitud de la corriente. os par9metros se

obtienen de la descarga de una batera ? se asume ue son los mismos cuando se

carga la batera. a capacidad de la batera no cambia con la amplitud de la

corriente por lo ue no ,a? e!ecto de PeuBert. En cuanto a la capacidad en A,. a

temperatura: la autodescarga ? el e!ecto memoria de la batera no sonconsiderados en este modelo.14

5.3.3.4 T'oo#7+ d' S)'*od'&+do*

os capacitores comunes se clasi!ican en electrost9ticos ? electrolticos dentro de

los capacitores electrolticos eiste una subclase especial llamados capacitores

electroumicos de doble capa


39/82

las propiedades capacitivas entre un metal ? una solucin electroltica. +in

embargo: (eneral Electric patent los primeros capacitores electrolticos ,ec,os

con electrodos de materiales porosos en 1M"/. A>os m9s tarde en 1M-- la

compa>a +tandard Oil o! O,io


40/82

F)'$'@simulacin de un sistema de recuperacin de energa basado en

supercapacitores

Eisten varios modelos el6ctricos ue intentan aproimar el comportamiento !sico

del supercapacitor. El modelo euivalente del supercapacitor ue se muestra en

la !igura 1/ ? consiste de 4 elementos ideales@ un resistor en serie euivalente: un

inductor: un capacitor % ? un resistor en paralelo.1- .

F(#)*+ 1 #odelo de un supercapacitor de primer orden

F)'$'@simulacin de un sistema de recuperacin de energa

El resistor modela las p6rdidas de energa durante la carga ? descarga delsupercapacitor: mientras ue en se pierde energa por la auto descarga del propio

16simulacin de un sistema de recuperacin de ener"a asado ensupercapacitores con aplicacin en traccin elctrica tesis/ in". +n i"nacio u+re ern+nde

40


41/82

capacitor. A tambi6n se le conoce como resistencia en serie euivalente: la cual

depende de par9metros como la temperatura. +i la temperatura aumenta la

resistencia es m9s grande. En aplicaciones de alta !recuencia las impedancias

mencionadas son consideradas sin embargo: en alta potencia es muc,o ma?orue por lo ue se puede despreciar. +e considera el circuito de la !igura 15 en el

ue se desprecia la inductancia .

F(#)*+ 18 %ircuito euivalente descarga

F)'$'@ simulacin de un sistema de recuperacin de energa

basado en +upercapacitores

a e!iciencia del supercapacitor se ve a!ectada por las p6rdidas de energa en la

resistencia. En la !igura 1M se muestra la curva de e!iciencia en !uncin del tiempo

para descarga a corriente constante. +e elige la escala semilogartmica en el eje

? aritm6tica en el eje ? para visualiar la gr9!ica de !orma m9s pr9ctica. %on lospar9metros establecidos se observa ue se alcana una e!iciencia del M7I a

partir de 5 segundos. Aproimadamente en 477 segundos se llega al 177I de

41


42/82

e!iciencia: en este momento el supercapacitor ,a trans!erido la energa disponible

del supercapacitor ,acia la carga.1/

F(#)*+ 19E!iciencia de un supercapacitor para descarga a corriente constante.

F)'$'simulacin de un sistema de recuperacin de energa basado en

+upercapacitores

5.3.3.8 D'&+*#+ d' S)'*++($o* + Po$'(+ Co&$+$'

En 6ste m6todo se desea ue la potencia con la ue se descarga el

supercapacitor sea constante. +i la potencia es constante: el voltaje en el

supercapacitor vara por la descarga: mientras ue la corriente en el

supercapacitor tambi6n vara. De esta !orma se mantiene la potencia constante.

a siguiente tabla muestra los par9metros ue se utilian para descargar un

mdulo de #aell &ec,nologies con potencia constante.15

5.4 MARCO METODOLOGICO

17simulacin de un sistema de recuperacin de ener"a asado ensupercapacitores con aplicacin en traccin elctrica tesis/ in". i+n i"nacio u+re hern+nde

18

42


43/82

5.4.1 T(o d' I6'&$(#+(

El presente trabajo de investigacin est9 en!ocado inicialmente en un tipo de

investigacin cualitativa: donde se evaluar9 el !uncionamiento de lossupercondensadores utiliados en un banco solarC posteriormente se optara por

utiliar la metodologa cualitativa para determinar mediante pruebas la e!iciencia

de los supercondensadores en el complemento de la batera para la carga.

5.4.2 ($'&(& d' + I6'&$(#+(

na ve estructurado el sistema de los +upercondensadores: se podr9 innovar ?

crear un nuevo sistema de complemento para el almacenamiento de energaC ? deigual manera no solo permitir9 incursionar en nuevos mercados: sino adem9s

aumentar la capacidad de almacenamiento de energa ? disminuir tiempos de

carga ? descarga de la batera en el sistema.

5.43 T=(+& d' R'o'( d' d+$o&

a !uente de in!ormacin primaria ser9n los datos ue se recolecten en las

pruebas realiadas a los supercondensadores ? la batera durante su!uncionamiento.

a !uente de in!ormacin secundaria se obtendr9 de las investigaciones realiadas

sobre el !uncionamiento de los supercondensadores ? tetos sobre el

almacenamiento de energa.

,. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION

43


44/82

,.1 D'&*(( d' &(&$'/+

Para el desarrollo del pro?ecto es necesario implementar un sistema de energa

solar con supercondensadores: complementando la batera a la ,ora de cargar ?descargaC lo anterior es aprovec,ando los picos m9imos de energa en los

momentos donde se presenta ma?or radiacin solar.

En la construccin del pro?ecto !ue necesario utiliar los siguientes componentes@

Panel solar de "7 +upercondensadores de 2./ * "77F

$egulador de *oltaje de 12 * 1 atera de 12 * 12 , ? 1 atera 12 * 15, ombillos de 3 8

,.1.1 P+' &o+* ,0> 12V

os paneles solares '0&' son ecelentes mdulos en cuanto a su salida de

potencia ? con!iabilidad a largo plao. +on mdulos probados independientemente

para asegurar la con!ormidad con est9ndares ? regulaciones.

+us celdas solares tienen una transmisin elevada ? son de !ibra teturiada: lo

ue contribu?e a ue entregan energa de !orma altamente e!iciente. Adem9s

cuentan con diodos de b?pass ue minimian la cada de potencia causada por

sombras.

+on paneles cuidadosamente !abricados con !ibra de vidrio templada: resina E*A:

pelcula resistente al agua ? marco de aluminio lo ue aseguran 177I su uso paraeteriores

P+o& d' (#'('*7+

44


45/82

F(#)*+ 20 Panel solar

F)'$'@ paneles solares '0&'

En la !igura 27 se puede ver las dimenciones de el panel solar utiliado en el

presente trabajo de grado: ? la distriducion de las celdas solares: coneiones.

T+-+ 1 %oe!icientes de temperatura

%oe!iciente de temperatura de la 'sc U7:74IVW%

%oe!iciente de temperatura del *o 7:35IVW%%oe!iciente de temperatura de m9ima potencia 7:4/IVW%%oe!iciente de temperatura de la 'mp U7:74IVW%%oe!iciente de temperatura del *mp 7:35IVW%F)'$'@ Paneles solares '0&'

T+-+ 2 Especi!icaciones tecnicas

Potencia m9ima -78

45


46/82

&ipo de celda Policristalino*oltaje de m9ima potencia


47/82

os ultra caractersticas de baja temperatura: amplio rango de temperatura

de 47 Z /7 Wc. a deteccin es conveniente: la energa restante se puede leer

directamente. El rango de capacidad suele ser 7.71F Z 1777F. Est9ndar calidad@ '+O M777C '+O M771@ 2777C '+O M771@ 2775C '+O 14771@

2774: %E: $O)+.

T+-+ 3 Especi!icaciones tecnicas

SUPERCONDENSADOR

No/-*' +;per capacitor 2./v"77!+*+$'*7&$(+& 1.*ida ;til@ ,asta 1.277.777 ciclos: libre de mantenimiento

2se puede utiliar como una batera recargable3.%arga r9pida@ carga 17 segundos para alcanar su capacidadnominal de m9s de M"I

A(+(o'& Ampliamente utiliado en el tel6!ono inal9mbrico: tel6!ono celular:c9mara digital: electrodom6sticos inteligentes:

juguete electrnico: cerradura inteligente: inteligente metros: #P3:PDA: D*D: *&$: (P+: P%: !a mac)ine:euipo de audio: cocina el6ctrica: calentador de agua el6ctrico:autoalimentado s;per linterna: impresora: la lu trasera: juguetes electrnicos: la caja registradora

!iscal: P+:: energa elica: energa solar: reciclaje+istema de la batera ? as sucesivamente.

F)'$'@ .alibaba.compdetail2/v"77!supercapacitors!orelectroniccarandbusstarting151/5-52"4.,tml

,.1.2 R'#)+do* d' 6o$+' d' 12 V

$egulador de carga +teca -A apto para tensiones de 12* ? de 24*. %on el

regulador de carga +teca de -A: podemos conectar paneles solares tanto de 12*

como de 24* ue no superen -A de carga entre todos. a relacin calidad precio

47


48/82

de los reguladores de carga +teca permiten decir ue son los m9s usados en

sistemas !otovoltaicos aislados.

T+-+ 4Especi!icaciones tecnicas

R'#)+do*'& d' C+*#+A/'*(o& ? o*+Entre 7A ? 17XT'&( d' R'#)+do* d' C+*#+12* o 24*Co&)/o d' R'#)+do* d' C+*#+[ 4 mAG+*+$7+ R'#)+do* d' C+*#+2 a>osCo**('$' d' Co&)/o d' R'#)+do* d' +*#+- AT'&( d' F(+ d' C+*#+13T'&( d' *'+$(6+(\ "7 12D(/'&(o'& d' R'#)+do* d' C+*#+14" 177 24 mmP'&o d' R'#)+do* d' +*#+apro. 1"7 g

F)'$'@.autosolar.esreguladordecargareguladorcargasteca-a

,.1.2 B+$'*7+ d' 12 V

a batera almacena ? la energa producida por el panel solar: esta ser9 utiliada

por los euipos dise>ados para esta misma o ser9 trans!ormada a corriente

alterna por un inversor de corriente.

a cantidad de bateras necesarias en un euipo aislado lo determina la cantidad

necesaria de energa a utiliar entre el da ? la noc,e: contamos con bateras de

electrolito luido abiertas o cerradas ? de electrolito inmoviliado


49/82

Para la eleccin de la batera idnea en el trabajo de investigacin: es necesario

aclarar ue el panel solar cuenta con aproimadamente 4 ,oras de radiacin solar

durante el daC de lo anterior podemos deducir la siguiente ecuacin@

E]PtV,


50/82

B+$'*7+ 1

*]12


51/82

*ale anotar ue de acuerdo a las ecuaciones empleadas anteriormente: para el

presente sistema: seria valido utiliar una batera de 12 v Y 27A, puesto ue esta

batera dara una capacidad de almacenamiento de 2478: ue es la energa

promedio generada por el panel en un da normalC no obstante es importanteaclarar ue en el desarrollo del presente trabajo de grado se decide implementar

dos bateras logrando ma?or capacidad de almacenamiento ue la energa

promedio generada por el panel solar: garantiando un margen entre la energa

producida por el panel ? la capacidad de almacenamiento del sistema.

,.2 D(+#*+/+ '=$*(o &(&$'/+

En el desarrollo del presente trabajo de grado: !ue necesario realiar un diagramael6ctrico de la conein de los componentes: logrando as tener un sistema de

recoleccin ? almacenamiento de energa solar.

En la implementacin del trabajo de grado se dise> un circuito el6ctrico ue nos

permita realiar las distribucin de los componentes del sistema: para tal !in se

utilia un so!tare para dise>ar diagramas el6ctricos.

D(+#*+/+ 1 Diagrama el6ctrico sistema

51


52/82

F)'$'@ Propia de la 'nvestigacin

En el anterior diagrama se observa la conein de los componentes del sistemaC

se puede notar ue del panel solar salen dos lneas: una positiva ? una negativa

las cuales llegan al regulador de voltajeC el cual es el encargado de distribuir ?

regular la energa entregada por el panel: saliendo cuatro


53/82

Este trabajo de investigacin tiene como !in la implementacin de

supercondensadores como apo?o al momento de la carga ? descarga de la

batera: logrando aprovec,ar los picos de lu solar durante un da normal ?

suministrando cargas en instantes de tiempo.

D(+#*+/+ 2 Diagrama supercondensadores


En el desarrollo del pro?ecto se dise> el diagrama 2: en el cual se puede ver ue

se utiliaron 4 supercondensadores de 2:/ * ^ "77 F: ? " supercondensadores de

2:/ * ^ 177 F.

En el diagrama se muestra: ue se conectaron cuatro supercondensadores de2:/ * ^ "77 F en serieC adicionalmente se realia la conein de "

supercondensadores de 2:/ * ^ 177 F en paralelo entre s: logrando as !ormar

53


54/82

un supercondensador resultante de 2:/ * ^ "77 F: el cual se conectar9 en serie

con los otros 4 supercondensadores.

+e decidi utiliar los supercondensadores en serie: logrando una capacidad decarga elevada ? un voltaje semejante al manejado por la bateraC lo anterior se

puede epresar con las siguientes ecuaciones@

*t] *1U *2 U *3U *4U*"

*t] 2:/ v U 2:/ v U 2:/ v U 2:/ v U 2:/ v

*t] 13:" *

De donde se puede decir ue *t es el voltaje total de los supercondensadores

dado en *oltios: *1 es el voltaje de cada uno de los supercondensadores en

voltios.

Para ,allar la carga de los supercondensadores se utili la siguiente ecuacin

_t ] _1] _2]_3]_4]_17

_1] %1V *1

_1] "77V2./

_1] 13"7 %olumbios

De donde se sabe ue _t es la carga total en %olumbiosC ? % es la %apacidad del

supercondensador en Faradios.

54


55/82

a Energa total de los +upercondensadores se puede calcular de la siguiente

manera@

]

De donde tenemos ue para los supercondensadores es@

_] 13"7 %olumbios

%]177 Faradios

Al remplaar los datos del sistema en la ecuacin se obtiene el siguiente

resultado.

]

] M112." Lulios

,.2.1 D(+#*+/+ '=$*(o d' O$(/(


56/82

D(+#*+/+ 3 Diagrama Optimiacin


%on el diagrama de optimiacin de la energa: se logra garantiar ue cuando la

batera este sin carga necesaria para el !uncionamiento de los bombillos: los

supercondensadores puedan suministrar la energa necesaria para este

!uncionamiento durante el tiempo ue la batera consiga tener la carga adecuada:

es decir: ue con la implementacin de este circuito garantiamos ue si la batera

no tiene carga adecuada el sistema aun !uncione con un tiempo mu? corto de

radiacin solar.

56


57/82

El circuito el6ctrico !unciona de la siguiente manera@

a energa proveniente del panel solar pasa por medio del regulador de voltaje: el

cual est9 conectado con el sistema de almacenamiento ana

despu6s de ue en la noc,e anterior se ,a?a descargado la batera ? los

supercondensadores en su totalidad: tras una peue>a !raccin de tiempo con

radiacin solar el sistema !uncione: es decir: ue despu6s de 17 a 27 segundos de

radiacin solar los supercondensadores se cargan ? logran proporcionar la energa

su!iciente para ue los bombillos alumbren: gracias al Diodo instalado en el

sistema esta energa no es adsorbida por la batera sino ue sirve para ue los

bombillos !uncionen mientras la batera se logra cargar.

,.3 Mo$+'

Para la implementacin del presente trabajo de investigacin se decidi utiliar el

bloue de mec9nica: especialmente el s6ptimo pisoC instalando el panel solar en el

9rea de los tanues de agua


58/82

Durante la instalacin del sistema de panel solar !ue necesario instalar una

estructura met9lica: en la cual se aloja el panel solar de -7 8C esta estructura se

instal en el 9rea de los tanues del bloue de mec9nica por autoriacin de la

administracin de la universidad.

a estructura del panel solar cuenta con una altura de 1:57 #ts ? un Angulo de

inclinacin de 4" C aclarando ue la estructura cuenta con un sistema para ajustar

el Angulo del panel solar de acuerdo a la disposicin del sol en el da.

Para la ubicacin del panel solar se utili como base un so!tare ue se

encuentra disponible en la p9gina de +unEart,&ools: en el cual se introducen lascoordenadas del lugar donde se desea instalar el panel solar ? el so!tare

calcula los grados de inclinacin: orientacin donde el panel solar tendr9 ma?or

e!iciencia.

A continuacin se muestran las gr9!icas generadas por el so!tare

58


59/82

F(#)*+ 21'nstalacin panel solar

F)'$'+uneaert,tools.com

En la !igura 21 se muestra ue la inclinacin adecuada para la instalacin del

panel solar es de 4":- en la cual se tendr9 ma?or e!iciencia. Adicionalmente se

59


60/82

muestra la latitud ? el grado de direccionamiento adecuado para la instalacin en

el bloue de mec9nica de la !acultad de ingeniera electromec9nica.

F(#)*+ 22 'nstalaciones del sistema


En la Figura 22 se observa la instalacin del sistema de supercondensadores

como complemento a la batera en el almacenamiento de energa solar.

En la imagen: en la parte superior est9 el regulador de voltaje: ue es el

encargado de distribuir la energaC saliendo dos lneas ,aca las bateras: de

donde se conectan los supercondensadores.

&ambi6n se muestra dos acrlicos: cada uno con dos bombillos de 38 ? su

respectivo interruptorC donde el objetivo es utiliar la energa almacenada por los

supercondensadores ? la batera durante el da.

60


61/82

F(#)*+ 23 $egulador de voltaje


En la Figura 23 se observa el regulador de marca +&E%AC as mismo se

evidencia ue del panel solar entran dos lneas con su respectiva polaridad al

regulador: saliendo cuatro lneas ue ser9n distribuidas entre la batera ? losbombillos. Es importante aclarar ue el regulador uedo instalado en la parte

superior de la pared del laboratorio /73


62/82

F(#)*+ 24 atera


En la Figura 24 se observa la instalacin de las bateras: se colocaron en dos

repisas met9licas: asegur9ndolas con tornillos a la pared.

Adicionalmente se instal un barraje antes de las bateras: cu?o !in es proporcional

un mecanismo de proteccin al sistemaC evidenciando la conein de las bateras

con los supercondensadores.

Para la instalacin del barraje se decido instalar una proteccin de seis os en los componentes del sistema.

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63/82

F(#)*+ 25 +upercondensadores


En la Figura 2" se ve la conein realiada con los supercondensadores: son

cuatro supercondensadores verdes los cuales son de 2:/ * "77 FC 'gualmente se

instalaron cinco supercondensadores negros de 2:/ * 177 F.

os supercondensadores se instalaron en un acrlico negro permitiendo a los

dem9s estudiosos de la !acultad de 'ngeniera Electromec9nica de la niversidad

Antonio 0ari>o visualiar las coneiones realiadas en el presente trabajo de

investigacin.

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F(#)*+ 2,anco luminoso


En la Figura 2- se observa uno de los dos bancos con bombillos: con el cual se

aprovec,a la energa almacenada por la batera en el daC estos bancos cuenta

con bombillos de 3 8 ? su respectivo interruptor: evidenciando ue la energa ue

permite el !uncionamiento de los bombillos proviene del regulador.

F(#)*+ 2Accionamiento sistema

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65/82

F)'$'Propia de la 'nvestigacin

En la imagen 2/ se evidencia el !uncionamiento del sistema en su totalidadC loscomponentes del sistema ? la luminosidad producida por los bombillos durante el

aprovec,amiento de la energa almacenada en las bateras ? en los

supercondensadores.

,.4 P*)'-+& *%$(+&

En esta parte del trabajo de 'nvestigacin se mostraran los resultados de las

pruebas pr9cticas realiadas en el almacenamiento de la energa suministrada por

el panel solar: las pruebas en el momento de descarga ? carga de los

supercondensadores ? de la batera.

&ambi6n se analia el comportamiento de la batera ? los supercondensadores al

momento de tener una carga: describiendo su comportamiento en !orma gr9!ica

con los datos obtenidos en las pruebas: durante el !uncionamiento del banco

solar.

,.4.1 D'&+*#+ &)'*od'&+do*

Durante el desarrollo del trabajo de 'nvestigacinC !ue necesario realiar varias

pruebas pr9cticas para poder dise>ar gra!icas ue muestren el tiempo de

descarga de los supercondensadoresC con el !in de demostrar las cualidades

aduiridas para el sistema por medio de los supercondensadores.

%abe Aclarar ue el comportamiento de los supercondensadores no es el de un

condensador normal: puesto ue son dispositivos ue almacenan grandes

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66/82

cantidades de energa en peue>as !racciones de tiempo ? proporcionan

cantidades de energa en una !raccin de tiempo determinada.

T+-+ 5 Descarga de supercondensadores

T('/o @/ Vo$+' @V

7 12:23

1 11:5

2 17:M"

3 M:-

4 5:2" /:-

/ -:43

5 -:23

17 ":43

12 4:M2

14 4:2-

1" 4

1/ 3:M

15 3:24

27 3:2321 3:23

2" 2:52

37 2

35 1:41

42 1:47"

"7 1:3M

"" 1:3/

-7 1:3-


De la tabla n;mero " se puede decir: ue despu6s die 17 segundo de estar

sometido a una carga de 12 8: estos pierden a mita de la carga almacenada ? ue

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67/82

pasando este tiempo se evidencia ue la perdida de carga se disminu?e

notoriamente.

G*+(+& 1 Descarga +upercondensador


Durante el desarrollo de la investigacin se realiaron pruebas del tiempo ue

tardaban en descargarse los supercondensadores: logrando construir la gr9!ica 1

con los datos resultantes de las pruebas.

En las pruebas realiadas se utiliaron 4 bombillos de 3 8 para aprovec,ar la

energa almacenada en los supercondensadores: logrando un tiempo m9imo de

!uncionamiento de los bombillos de 27 minutos: es decir: la carga almacenadapor los supercondensadores alcana para 27 minutos de !uncionamiento de los 4

bombillos del pro?ecto.

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De la gr9!ica uno se puede decir: ue el comportamiento de estos dispositivos al

momento de la descarga pasados los cuarenta segundo se trata de nivelar ,asta

llegar a los sesenta segundo donde ?a no se cuenta con energa necesaria para el

!uncionamiento del sistema,.4.2 C+*#+ &)'*od'&+do*

Al realiar las pruebas de carga de los +upercondensadores se evidencio ue los

dispositivos en cortas !racciones de tiempo logran alcanar su carga totalC lo cual

es mu? interesante para el aprovec,amiento de los destellos de lu solar

presentes durante un da en ogot9.

T+-+ ,%arga +upercondensadores 1

T('/o@&

Vo$+'@V

1 1:22 1:5

3 2:3

4 2:-

- 3:4

5 4

17 4:-

1" -

23 /:"

25 5:1

32 5:M

3- M:2

3M M:4

42 M:/

4" 17:2

"7 17:5

"4 11:4

-7 11:5

-2 12:1

-- 12:2

/7 12:23

/1 12:24

/4 12:2-

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69/82

57 12:3


En la tabla n;mero - observamos los resultados de las pruebas realiadas en un

da a las die ana: con una temperatura promedio de 15 grados

centgrados. Podemos notar ue los supercondensadores alcanan su capacidad

de almacenamiento en un corto tramo de tiempo.

Por esta ran se evidencia ue los supercondensadores pueden proporcionar

cargas elevadas en cualuier instante de tiempo.

Para la obtencin de los datos !ue necesario dejar los supercondensadores

conectados al panel solar en paralelo determinado tiempoC al momento de tomar la

medicin de la carga en los supercondensadores: se desconectaban del panel

solarC puesto ue si era tomado cuando estaban conectados con el panel el medir

el voltaje generado seria errnea.

G*+(+& 2 %arga +upercondensador 1

69


70/82


Al terminar las pruebas realiadas en el presente trabajo de investigacin

con!irmamos ue los supercondensadores son dispositivos ue en tramos cortos

de tiempo alcanan su capacidad de almacenamientoC se realiaron numerosas

pruebas para lograr construir las gr9!icas de carga de los supercondensadores.

P*)'-+ 2 d' C+*#+ d' o& S)'*od'&+do*'&

Para poder demostrar las cualidades descritas anteriormente de los

supercondensadores: se reali la prueba de carga en condiciones di!erentes a la

prueba anterior.

T+-+ %arga +upercondensadores 2

T('/o@&

Vo$+' @V

7 11 1:22 1:53 2:24 2:5- 3:/

5 4:317 4:51" ":523 -:M25 /:"32 5:33- 5:/3M M:142 M:44" M:5"7 17:2"4 17:"-7 17:5-2 11:1-- 11:3/7 11:-/1 11:M/4 12:157 12:352 12:454 12:-

70


71/82

5- 12:/M7 12:5


En la tabla n;mero / se evidencia los resultados de las pruebas realiadas en un

da a las 14 ,oras. Observando ue los supercondensadores alcanan su

capacidad de almacenamiento en un corto tramo de tiempoC en relacin con la otra

prueba realiada en ,oras de la ma>ana se evidencia ue en la tarde los

supercondensadores tardan 17 segundos m9s ue en la ma>ana para alcanar

su capacidad de almacenamiento m9imo.

G*+(+& 3%arga +upercondensador 2

F)'$'Propia de la 'nvestigacin

En la gr9!ica 3 se puede decirC ue las primeras mediciones realiadas a los

supercondensadores: muestran ue en los primeros veinte


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En el proceso de carga de los supercondensadores se puede analiar ue

independientemente de la ,ora del da donde se realice el proceso: los

supercondensadores mantienen un comportamiento regularC dic,os dispositivosdemuestran ue su cualidades en el proceso de almacenamiento es la reduccin

de tiempo: a di!erencia de otros dispositivos utiliados para el almacenamiento de

energa.

,.4.3 D'&+*#+ B+$'*7+

Para determinar el tiempo ue tardan las bateras en descargase: !ue necesario

realiar pruebas pr9cticas: logrando dise>ar gra!icas ue demuestren el tiempo de

descarga del bateraC con el !in de poder demostrar la e!iciencia del sistema.

T+-+ 8 Descarga de la bateras&iempo


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En la tabla n;mero 5 se puede decir: ue los datos resultantes de las pruebas

realiadas a las bateras: se ,a?o ue las bateras descargan en 12 ,oras con un

consumo de 12 8.

Durante las pruebas se not ue para los dos bancos de bombillos montados en el

presente pro?ecto: la carga de la batera los abastece 14 ,oras continuamente:

cabe anotar ue si variamos el consumo variaremos el tiempo de duracin de la

carga de la batera.

G*+(+& 4 Descarga atera


En la gr9!ica n;mero 4 se puede evidenciar los resultados obtenidos en las

pruebas en el banco solarC teniendo m9s o menos una cada de 1 v por ,ora

con la carga de los 4 bombillos de 38 cada unoC de esta gra!ica podemos deducir

ue con estas bateras podemos suministrar energa para una ,abitacin normal

73


74/82

durante catorce ,oras continuas: lo cual es algo mu? prometedor para un !uturo

energ6tico: dado los grandes bene!icios con el aprovec,amiento de la energa

solar.

,.4.4 C+*#+ B+$'*7+

Al realiar las pruebas de carga de las bateras se evidencia ue estos

componentes reuieren un tiempo signi!icativo para cargarse: adicionalmente se

puede ver ue en el momento de cargar la batera dependemos de dos !actores@ la

capacidad de la batera ? la radiacin solarC esta ;ltima es la ue nos dictamina la

cantidad de energa entregada a la batera en cada instante en su proceso de

carga.

T+-+ 9 %arga atera

T('/o @: Vo$+' @V7 7

7." 1:M1 4:1

1:" ":52 /:23 5:4

3:" M:M4 17:/4:" 11:24:- 12" 12:22- 12:25


En la tabla n;mero M se plasman los datos aduiridos al realiar la prueba para

determinar el tiempo de carga de las bateras: notando ue para unabastecimiento de energas proveniente de la radiacin solar en ogot9: durante

un da cotidiano en ,oras de la ma>ana: las bateras se cargara en seis


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G*+(+& 5%arga atera


En la gr9!ica n;mero " +e evidencia la batera en condiciones normales tendr9

un tiempo de carga de - ,oras ? mediaC aclarando ue la !uente ue suministra la

energa para este proceso es el panel solar: ue por !actores clim9ticos no tiene

un est9ndar de energa suministrada por ,ora sino un promedio: de 2:4 voltios

aproimadamente cada ,oraC este !actor puede ser mu? importante para la vida

;til de la batera puesto ue esta ser carga en menor tiempo suministrando cargas

elevadas pero al mismo tiempo acortando la vida ;til de la batera.

,.4.5 C+*#+ -+o &o+*

75


76/82

En este paso de la investigacin se realiaron las pruebas de carga al sistema


77/82

G*+(+& , %arga +istema


En la gra!ica - se pudo construir a partir de los datos de la tabla n;mero 17: ue

son los datos aduiridos en las pruebas realiadas en el banco solar. +e puede

notar ue el sistema se carga en - )oras su carga total: aclarando ue en un da

soleado se puede reducir el tiempo de carga en media ,ora o m9s

aproimadamente.

Durante el !uncionamiento del sistema se evidencio ue el sistema suministrar

energa a una carga: los supercondensadores manejan un voltaje menor al de la

bateraC lo anterior a ran ue los supercondensadores cuentan con un umbral:

para ue en un pico de energa esta: sea almacenada por ellos. Este

77


78/82

comportamiento es porue los supercondensadores son el dispositivo del sistema

ue m9s !9cil se cargan ? entregan energa

. GUIA ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR ENSUPERCONDENSADORES

NOMBRE

CODIGO

OB"ETIVO

%onstruir un gr9!ico ? analiar los datos voltajetiempo con la energa

suministrada por un panel solar de -7 8 ? almacenada por el banco de

supercondensadores.

MATERIALES

Para la elaboracin de la gua es importante ue el estudiante cuente con los

siguientes componentes@

P+' So+* ,0 > B+o S)'*od'&+do*'&

U M)$7/'$*o C*oo/'$*o P+' M((/'$*+do

78


79/82

PROCEDIMIENTO

1. Desconecte los supercondensadores de la batera ? con6ctelos

directamente al panel solar a trav6s de un interruptor.2. *eri!iue ue los supercondensadores est6n descargadosC si no lo est9n

descargarlos a trav6s de una resistencia de alta disipacin.3. %ierre el interruptor e inicie el cronometraje4. &ome datos del voltaje cada minuto en un intervalo de 2" minutos.". Elabore un gr9!ico en papel milimetrado de voltaje en !uncin del tiempoC

utiliando Ecel: ,alle la ecuacin ue presente el mejor ajuste de los

datos.-. +eg;n el gra!ico obtenido describa como !ue la radiacin solar durante el

tiempo de carga de los supercondensadores

CONCLUSIONES

79


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8. CONCLUSIN

%on la instalacin de los supercondensadores como complemento de la batera se

logra un ma?or almacenamiento de energa ? se evidencia ue se mejora la

captacin ? suministro de energa del sistema.

En la elaboracin del circuito se deben instalar los supercondensadores en serie

para lograr nivelar el voltaje manejado por la bateraC adicionalmente la conein

del banco de supercondensadores se ,ace en paralelo con la batera.

Durante las pruebas realiadas en la carga: descarga de la batera ?

supercondensadores: la obtencin de datos voltajetiempo se debe conectar los

supercondensadores a la !uente por !racciones de tiempo ? despu6s

desconectarlos de la !uente tomando la lectura del voltaje en los

supercondensadores: lo anterior para poder construir las gra!ica de carga de los

supercondensadores sin la necesidad de utiliar una resistencia: puesto ue noera necesario ?a ue los supercondensadores son componentes de

almacenamiento de gran cantidad energa.

+e evidenci durante las pruebas realiadas ue al momento de adminstrale una

carga a los supercondensadores ? la batera: se media en voltaje ue manejaban

los dos a la ,ora de la descarga. El voltaje de los supercondensadores era in!erior

al de la batera: lo anterior se debe a ue los supercondensadores por ser un

mecanismo ue suministra carga en cortos tramos de tiempo siempre dejan un

umbral de energa para ue al momento de ue el sistema tenga un pico de

energa se almacena en los supercondensadoresC ? en el momento de suministrar

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energa el sistema opta por el dispositivo ue suministre la energa m9s

!9cilmente.

9. RECOMENDACIONES

Para un mejor aprovec,amiento de la energa generada por el panel se

recomienda instalar un supercondensador m9s: de las mismas caractersticas de

los anteriores en serie: logrando as subir el voltaje a 1-.1 voltios: logrando de esta

manera ue el umbral de cargadescarga de los supercondensadores sea ma?or.

81


82/82

BIBLIOGRAFIAS

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and Application

trabajo de grado supercondensadores

Documents