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EEL805 – Condicionamento de Energia agosto/2010 André Luís M. Mantovani - 14478 Daniel Sanches de Carvalho - 14485 Luiz Eduardo Souza Santos - 14513 Gustavo.

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1 EEL805 – Condicionamento de Energia agosto/2010 André Luís M. Mantovani Daniel Sanches de Carvalho Luiz Eduardo Souza Santos Gustavo de Bortoli Lucas Santana Bittencourt Paulo Vinicius Fonseca Tiago José Marques

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

3 Armazena energia baseado no desequilíbrio interno de cargas elétricas Armazena energia baseado no desequilíbrio interno de cargas elétricas Não produz elétrons, apenas realoca Não produz elétrons, apenas realoca Possui dois terminais que são conectados a duas placas metálicas separadas por um dielétrico. Possui dois terminais que são conectados a duas placas metálicas separadas por um dielétrico.

4 Garrafa de Leyden (1745) Garrafa de Leyden (1745)

5 Bevis: experimentador liga a garrafa à Terra; o importante é o vidro entre os dois condutores 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 1750: Aepinus faz experiências que o levam à construção de um capacitor com dielétrico de ar Atualmente: eletrolíticos e eletrostáticos Atualmente: eletrolíticos e eletrostáticos

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7 A propriedade que os capacitores têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância [C] A propriedade que os capacitores têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância [C] C = capacitância em farads Q = carga em coulombs; V = diferença de potencial em volts.

8 De acordo com o material utilizado como dielétrico cerâmica (valores baixos até cerca de 1 μF); cerâmica (valores baixos até cerca de 1 μF); poliestireno (geralmente na escala de picofarads); poliestireno (geralmente na escala de picofarads); poliéster (de aproximadamente 1 nF até 1F); poliéster (de aproximadamente 1 nF até 1F); polipropileno (baixa perda, alta tensão, resistente a avarias); polipropileno (baixa perda, alta tensão, resistente a avarias); tântalo (compacto, dispositivo de baixa tensão, de até 100 μF aproximadamente); 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). eletrolítico (de alta potência, compacto e perda elevada, na escala de 1 μF a 1000 μF).

9 Através da inserção de diversos tipos de dielétricos 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 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

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

11 Correção FP Correção FP chaveamento causa afundamento chaveamento causa afundamento ou elevação de tensão Harmônicos Harmônicos aquecimento (condução), histerese (frequência) aquecimento (condução), histerese (frequência) Ressonância: Ressonância: série (trafo+capacitor): sobrecorrente série (trafo+capacitor): sobrecorrente paralelo (capacitor+carga): sobretensão paralelo (capacitor+carga): sobretensão

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13 Condensador eletroquímico que possui uma grande capacidade de armazenamento de energia quando comparado a capacitores comuns 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 Enquanto capacitores comuns possuem uma capacitância da ordem de mili, micro ou nanofarads, os supercapacitores são avaliados nas unidades de 1 farad ou mais

14 O primeiro supercapacitor, baseado em um mecanismo de camada dupla, foi desenvolvido em 1957 pela General Eletronics 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 Eles foram criados a partir da necessidade de se obter capacitores com uma maior capacidade de armazenamento de energia

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

16 Pouca degradação após centenas de milhares de ciclos Pouca degradação após centenas de milhares de ciclos Baixa impedância Baixa impedância Recarrega rapidamente Recarrega rapidamente Baixa toxicidade de materiais usados 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. 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.

17 A quantia de energia armazenada por peso de unidade é consideravelmente mais baixa que o de uma bateria eletroquímica 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 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 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 Descarrega-se mais facilmente e de forma mais rápida que uma bateria comum mesmo quando não há intenção de drenar sua energia

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

20 Veículo de transporte público articulado; Veículo de transporte público articulado; Híbrido com células a combustível (hidrogênio) Híbrido com células a combustível (hidrogênio) Amsterdam e Colônia (Alemanha) Amsterdam e Colônia (Alemanha) 140 passageiros 140 passageiros Supercapacitores armazenam a energia vinda da frenagem regenerativa Supercapacitores armazenam a energia vinda da frenagem regenerativa Nas arrancadas os supercapacitores liberam a energia e transferem potência ao motor Nas arrancadas os supercapacitores liberam a energia e transferem potência ao motor Trens e metrôs podem utilizar a mesma tecnologia Trens e metrôs podem utilizar a mesma tecnologia

21 EDLC - Supercapacitor de dupla camada (VINATECH Inc.) EDLC - Supercapacitor de dupla camada (VINATECH Inc.)

22 Energia contida em um capacitor de 600 [F], 2,3 [V]: 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: Energia de 600 capacitores de 600 [F] associados em série onde é aplicado 440 [V] no conjunto: 1 [W] = 1[J/s] [J] = 1 [Wh]

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

24 Supercapacitores e redes sem fios-Elementos Diferenciais Supercapacitores e redes sem fios-Elementos Diferenciais Ausência de rede aérea Ausência de rede aérea Pequenas estações retificadoras (150 kW V); Pequenas estações retificadoras (150 kW V); Retificação > Supercapacitores > banco de baterias > tração nas rodas Retificação > Supercapacitores > banco de baterias > tração nas rodas Não emite poluentes Não emite poluentes Sistema utilizado em Xangai, China Sistema utilizado em Xangai, China Automóveis híbridos Automóveis híbridos

25 Solução viável e confiável para fornecer potência a curto prazo de tempo Solução viável e confiável para fornecer potência a curto prazo de tempo Sistemas STATCOM (Compensadores Estáticos), controlam os picos de tensão em sistemas elétricos 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 São importantes pois aumentam a estabilidade de sistemas elétricos de potência através da melhoria das características transitórias e de amortecimento

26 Veículos híbridos Veículos híbridos Uso de supercapacitores como buffers Uso de supercapacitores como buffers Armazenamento de energia Armazenamento de energia Sistemas de transferência de potência Sistemas de transferência de potência

27 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


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