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viernes, 11 de mayo de 2012

Pensando un poco en supercondensadores

Llevo ya hace tiempo contemplando un clásico Condensador (bastante"gordo") que tengo en mi despacho para enseñar a los alumnos de Electrónica de Potencia que está justo al lado de un SuperCondensador (también "gordo") con el que estamos trabajando en proyectos de investigación y trabajos de tesis doctoral.

Estos días abrumado con tanta "supuesta excelencia" que se "desmorona" a mi alrededor, he querido hacer una pequeña pausa para hacer una sencilla comparativa entre un elemento convencional ampliamente utilizado y un elemento novedoso y teóricamente muy prometedor. La reflexiones y los cálculos que he realizado han dado lugar a esta "ociosa" entrada a mi blog.

El clásico condensador (Capacitor - C- que diríamos en inglés) lo tenéis aquí en esta foto. Es un buen "bote". Es un condensador de 4.1 faradios y una tensión máxima de 300 voltios de continua. Su resistencia serie (ESR = Equivalent Series Resistance) es de unos 43 miliohmios.


Por otro lado, el moderno supercondensador (Ultracapacitor - UC- que dicen los ingleses) está en esta otra foto. Otro bonito "bote". Tiene una capacidad de 2000 faradios (de aquí su nombre) y una tensión de trabajo muy pequeña 2.7 voltios (una de sus principales limitaciones como veremos). La resistencia serie, por contra, es excepcionalmente buena 0.35 miliohmios.


Una vez realizadas las "presentaciones", podemos hacer un primer cálculo de la energía que se puede almacenar con unos "cacharritos" de estos (como bien es sabido, la expresión de la energía es un medio del producto de la capacidad en faradios por la tensión máxima al cuadrado).

Pues bien, haciendo este pequeño cálculo nos dice que el condensador puede almacenar unos 51 Wh mientras que el supercondensador solo unos 2 Wh (unas 25 veces menos energía). La tensión máxima de trabajo es definitiva.

Esto no es buena cosa para el supercondensador.

Si por medio de un convertidor electrónico utilizáramos la energía almacenada en estos elementos para alimentar de forma estable una carga de potencia de 10 W (por ejemplo una pequeña bombilla de 10 LED de 1 W), con el condensador lograríamos mantener la bombilla encendida mas de 5 horas, mientras que con el supercondensador solamente un poco mas de 10 minutos.

Peor aún, 10 segundos antes de que se agotara la energía almacenada en ellos, estaríamos pidiendo 1.4 A al condensador mientras que 31.6 A al supercondensador.

Esta claro que si se pretendiera utilizar estos elementos a modo de "baterías", para mantener alimentadas cargas de potencia pequeña durante el mayor tiempo posible, parece que el clásico condensador gana por goleada.


Vayamos un momento hacia el otro extremo y analicemos como se comportan ante picos de potencia (a la postre y a la vista de la literatura técnica existente, parece que esta es una de las principales aplicaciones para los supercondensadores y donde la literatura muestra ventajas para estos).

Pues eso, pongamos que le pedimos a nuestro supercondensador, bién cargado, un buen picotazo de corriente, unos 500 A. Esto representaría un puntazo de potencia de 1.35 KW que iría decayendo linealmente hacía cero a medida que lo vamos descargando. La cosa duraría unos 10.8 segundos y durante ese tiempo, en la resistencia serie de supercondensador perderíamos unos 87.5 W.

Obviamente, como la tensión es muy baja necesitamos habitualmente un convertidor electrónico (BOOST converter) para adecuar a los niveles de tensión necesarios (véase por ejemplo un KERS realizado con supercondensadores).


Pero, el clásico condensador tampoco se queda atrás y puede doblar la apuesta con facilidad.

La mayor tensión de trabajo le confiere algunas ventajas. Un picotazo mantenido de 10 A solicitado al condensador totalmente cargado representa una potencia de 3 KW (mas del doble que el supercondensador) y podría mantener este consumo de corriente durante 123 segundos (un poco mas de dos minutos), obviamente cayendo la potencia linealmente hasta cero. Aún más, en la resistencia serie de condensador solo disiparíamos 4.3 W durante este tiempo.

Probablemente también necesitaremos un convertidor electrónico para adecuar los niveles de tensión a los valores necesarios, pero los mayores valores de trabajo probablemente hasta facilitán el asunto, siempre trabajaremos con niveles de tensión razonablemente elevados.


Es decir, parece que también gana el condensador. Creo que las supuestas ventajas están un poco en cuarentena.

Otra de las cosas buenas que se dice de los supercondensadores, es que debido a su baja resistencia serie puede cargarse muy rápidamente y estar listos para actuar en un corto lapso de tiempo.

Efectivamente es cierto, si cargamos nuestro supercondensador con una generosa corriente constante de 100 A, estaría plenamente cargado en unos 54 segundos, no está mal.

Pero el tradicional condensador, tampoco se quedaría atrás, podríamos cargarlo con una corriente constante de 20 A y lo tendríamos plenamente cargado en unos 62 segundos.


Obviamente, hay otras consideraciones que podríamos y deberíamos tener en cuenta y analizar: autodescarga, ciclos de carga y descarga, precio,.....pero parece desprenderse de esta pequeña reflexión que a los supercondensadores todavía les queda mucho recorrido para poder ser un elemento técnicamente interesante.

Está bien claro que sus bajas tensiones de trabajo son un hándicap importante sobre el que los esfuerzos de investigación deben de concentrarse. Aunque algunas gráficas que pueden encontrarse en la literatura indican para los nuevos desarrollos densidades de energía mayores que los tradicionales condensadores para las mismas densidades de potencia. Yo creo que todo llegará.

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