Capacitores e Supercapacitores

Apresentação em tema: "Capacitores e Supercapacitores"— Transcrição da apresentação:

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

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

3 Capacitores 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.

4 História do Capacitor Garrafa de Leyden (1745)

5 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

6 Princípio de Funcionamento

7 Propriedades Elétricas
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 Classificação dos Capacitores
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).

9 Variação da Capacitância
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

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

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

12 Supercapacitores

13 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

14 História do Supercapacitor
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

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

16 Supercapacitores - Vantagens
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.

17 Supercapacitores - Limitações
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

18 Comparação com Baterias
EDLC Hybrid Capacitor Battery Tempo para descarregar 1 ~ 30 s 40s ~ 1h 0,3 ~ 3h Tempo para carregar 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 0,70 ~ 0,85 Ciclos de recarga > ~ 500 ~ 2000

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

20 Aplicação 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

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

22 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]

23 Constituição Física 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

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

25 Aplicações em Sistemas de Potência
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

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

27 Conclusões 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