Capacitores e Supercapacitores

1. Capacitores e Supercapacitores EEL805 – Condicionamento de Energia André Luís M. Mantovani - 14478 Daniel Sanches de Carvalho - 14485 Luiz Eduardo Souza Santos - 14513 Gustavo de Bortoli - 14497 Lucas Santana Bittencourt - 14512 Paulo Vinicius Fonseca - 14523 Tiago José Marques - 14543 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

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 • 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

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