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SUPERCONDENSADORES COMO COMPLEMENTO PARA BATERIA EN EL ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR

DAVID LEONARDO CASTILLO LLANOS

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO FACULTAD DE INGENERIA ELECTROMECANICA BOGOTA D.C 2015 1

SUPERCONDENSADORES COMO COMPLEMENTO PARA BATERIA EN EL ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR

DAVID LEONARDO CASTILLO LLANOS Cod. 10430928375

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO FACULTAD DE INGENERIA ELECTROMECANICA BOGOTA D.C 2015 2

NOTA DE ACEPTACION _________________________________ ____ _____________________________________ _____________________________________

__________________________________________ FIRMA PRESIDENTE DE JURADO

___________________________________________ FIRMA DEL JURADO

___________________________________________ FIRMA DEL JURADO

Bogotá D.C. Agosto de 2015 3

INTRODUCCION 2. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA........................................................14 2.1 Antecedentes del Problema.................................................................14 2.2 Descripción del problema....................................................................15 2.3 Formulación de problema...................................................................16 3. JUSTIFICACION....................................................................................16 4. OBJETIVOS..........................................................................................17 4.1. Objetivo general...............................................................................17 4.2. Específicos......................................................................................17 5. MARCO DE REFERENCIA......................................................................18 5.2 MARCO TEORICO...............................................................................22 5.2.1 Generalidades................................................................................22 5.2.2 Herramientas de Innovación.............................................................22 5.2.3. Ventajas de Supercondensadores....................................................23 5.2.4. Automóviles híbridos.......................................................................23 5.2.4.1 Actualidad automóviles híbridos......................................................24 5.2.5 Almacenamiento de energía............................................................26 5.2.6 Autobuses equipados con supercondensadores.................................27 5.2.7 Supercondensadores.......................................................................28 5.2.7.1 Sistemas basados en supercondensadores.....................................30 5.3 MARCO CONCEPTUAL........................................................................33 5.3.1 La promesa del Supercondensador...................................................33 5.3.2 Cómo realiza el nuevo electrodo.......................................................34 5.3.3 Sistema de recuperación de energía..................................................35 5.3.3.1 Dispositivos de almacenamiento de energía..................................35 5.3.3.3 Modelo de la Batería..................................................................37 5.3.3.4 Tecnología del Supercondensador...............................................38 5.3.3.5 Modelo del Supercondensador....................................................39 5.3.3.8 Descarga del Supercapacitor a Potencia Constante.......................42 5.4 MARCO METODOLOGICO....................................................................43 5.4.1 Tipo de Investigación.......................................................................43 4

5.4.2 Hipótesis de la Investigación.............................................................43 5.43 Técnicas de Recolección de datos.....................................................43 6. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION...................................................44 6.1 Descripción del sistema.....................................................................44 6.1.1 Panel solar 60W 12V....................................................................44 6.1.2 Supercondensadores 2.7V 500F....................................................46 6.1.2 Regulador de voltaje de 12 V.........................................................48 6.1.2 Batería de 12 V...........................................................................49 6.2 Diagrama eléctrico sistema................................................................51 6.2.1 Diagrama eléctrico supercondensadores.........................................53 6.2.1 Diagrama eléctrico de Optimización de energía................................55 6.3 Montaje............................................................................................57 6.4 Pruebas prácticas.............................................................................65 6.4.1 Descarga supercondensador.........................................................65 6.4.3 Descarga Batería........................................................................72 6.4.4 Carga Batería.............................................................................74 6.4.5 Carga banco solar.......................................................................75 7. GUIA ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR EN SUPERCONDENSADORES.......................................................................78

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LISTADO DE FIGURAS Figura 1 Batería solar.................................................................................14 Figura 2 Supercondensador de 2,7 voltios....................................................16 Figura 3 Supercondensador........................................................................18 Figura 4 Automóviles Híbridos.....................................................................19 Figura 5 Supercondensador de Grafeno.......................................................20 Figura 6 Auto buses Híbridos......................................................................21 Figura 7 Esquema Automóviles Híbridos.......................................................24 Figura 8 Batería Grafeno............................................................................25 Figura 9 automóviles Volvo.........................................................................26 Figura 10 Autobús supercondensadores.......................................................28 Figura 11 Supercondensador de 400 Faradios (2.7 V)....................................29 Figura 12 Supercondensadores varios.........................................................30 Figura 13 Composición Supercondensadores................................................32 Figura 14 Diagrama Bloques.......................................................................36 Figura 15 Modelo Eléctrico de la Batería.......................................................38 Figura 16 Fenómeno electroquímico en un supercapacitor..............................40 Figura 17 Modelo de un supercapacitor de primer orden.................................40 Figura 18 Circuito equivalente descarga.......................................................41 Figura 19 Eficiencia de un supercapacitor para descarga a corriente constante..42 Figura 20 Panel solar.................................................................................45 Figura 21 Instalación panel solar.................................................................59 Figura 22 instalaciones del sistema..............................................................60 Figura 23 Regulador de voltaje....................................................................61 Figura 24 Batería.......................................................................................62 Figura 25 Supercondensadores...................................................................63 Figura 26 Banco luminoso..........................................................................64 Figura 27 Accionamiento sistema................................................................64 6

LISTA TABLAS

Tabla 1 Coeficientes de temperatura..............................................................45 Tabla 2 Especificaciones tecnicas.................................................................46 Tabla 3 Especificaciones tecnicas.................................................................47 Tabla 4 Especificaciones tecnicas.................................................................48 Tabla 5 Descarga de supercondensadores....................................................66 Tabla 6 Carga Supercondensadores 1..........................................................68 Tabla 7 Carga Supercondensadores 2..........................................................70 Tabla 8 Descarga de la batería...................................................................72 Tabla 9 Carga Batería................................................................................74 Tabla 10 Carga Sistema.............................................................................76

7

LISTA DIAGRAMA Diagrama 1 Diagrama eléctrico sistema........................................................52 Diagrama 2 Diagrama supercondensadores..................................................53 Diagrama 3 Diagrama Optimización.............................................................56

8

LISTA GRAFICAS Graficas 1 Descarga Supercondensador......................................................67 Graficas 2 Carga Supercondensador 1.........................................................69 Graficas 3 Carga Supercondensador 2.........................................................71 Graficas 4 Descarga Batería.......................................................................73 Graficas 5 Carga Batería...........................................................................75 Graficas 6 Carga Sistema..........................................................................77

9

RESUMEN

El

presente trabajo de investigación tiene como objetivo principal diseñar un

sistema de almacenamiento de energía solar, para este fin se emplean nuevas tecnologías que sirvan como complemento a la batería en su proceso de carga y durante el tiempo que se encuentre descargada. Por tal razón los supercondensadores surgen como un componente idóneo para almacenar los picos de energía generados por destellos de luz solar durante el trascurso del día. Para lograr el objetivo el presente trabajo se ha dividido en dos partes a saber: Una primera parte donde el lector podrá encontrar todos los conceptos teóricos del funcionamiento de los Supercondensadores y de las aplicaciones dadas en el mundo y una segunda parte donde se describirán los resultados encontrados en la implementación de los Supercondensadores como complemento durante la carga de la batería y del funcionamiento del banco solar.

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ABSTRACT

This degree work has as main objective to design a system for storing solar energy, new technologies for this purpose serve to supplement the battery charging process and in addition during the time it is discharged are used. For this reason supercapacitors emerge as a suitable component for storing energy peaks generated by flashes of sunlight during the day. To achieve the goal of this work has been divided into two parts namely: a first part where the reader will find all the theoretical concepts of the operation of Supercapacitors and application given in the world and a second section will be described the results encountered in the implementation of Supercapacitors supplement during battery charging and operation of the solar bank.

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INTRODUCCION En un mundo globalizado y cada vez más competitivo, se busca emplear nuevas tecnologías que sirvan como solución a problemas presentes

en el

aprovechamiento de la energía solar, por tal motivo se busca tener mayor eficiencia en el proceso de almacenamiento de dicha energía. Los supercondensadores son dispositivos que contribuyen en el almacenamiento de energía, logrando con ellos tener mayor capacidad de carga en menos tiempo de los que se lograrían con una batería tradicional. En el presente trabajo de grado se dan a conocer los pasos y resultados de la construcción del banco solar; tratando de comprobar las cualidades de los supercondensadores, logrando optimizar la energía proporcionada por el panel solar y su almacenamiento. Para este fin el investigador se apoyará en los conocimientos adquiridos durante la carrera, las enseñanzas y aportes de los educadores en el campo de almacenamiento de energía, lo cual permite diseñar e implementar un sistema basado en energía solar. También se mostraran los cálculos, las gráficas obtenidas en las pruebas de carga y descarga de la batería y del sistema; evidenciando su comportamiento en estos dos procesos. Adicionalmente los supercondensadores son dispositivos de potencia que pueden almacenar ráfagas de energía en cortas fracciones de tiempo y pueden proporcionar

descargas

de

energía

en

cortos

tiempos;

logrando

un

aprovechamiento de la energía generada por el sistema solar. Lo anterior se tratará de comprobar con las pruebas presente trabajo de grado.

12

a realizar

durante el desarrollo del

El investigador buscará diseñar e implementar un sistema

el cual

pueda

almacenar la totalidad de la energía generada por un panel solar de 60 vatios; para ello es de vital importancia utilizar las cualidades de rápido almacenamiento de los supercondensadores. Adicionalmente se diseñarán los respectivos diagramas eléctricos del sistema, implementando las normas industriales sobre la codificación de colores de las instalaciones eléctricas y de protección de las mismas. El presente trabajo contendrá todas los hallazgos y resultados propios del desarrollo; esperando que dichas vivencias sirvan como fundamentos para trabajos futuros sobre el almacenamiento de energía.

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2. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA 2.1 Antecedentes del Problema Las baterías, son elementos diseñados para el almacenamiento de energía, sin embargo durante su proceso de carga se requieren tiempos muy largos, por esta razón no tienen la capacidad de almacenar los picos máximos de energía producida por un panel solar. Las baterías convencionales, son dispositivos que tienen alta densidad de energía y pueden almacenar una gran cantidad de energía eléctrica, dicho proceso requiere horas para cargar y descargar. Adicionalmente en los sistemas donde la energía es proporcionada por la batería se presenta un problema cuando ésta es descargada totalmente, dado que para volverla a cargar toma un tiempo largo. Figura 1 Batería solar

Fuente: http://www.electricidad-gratuita.com/bateria-solar.html

14

2.2 Descripción del problema Actualmente en la facultad de ingeniería mecánica se cuenta con un sistema de paneles solares diseñado e implementado para el aprovechamiento de energía solar, para almacenar esta energía se usa una batería, la cual se encuentra limitada en su velocidad de carga dadas a sus características físico químicas, lo cual hace que se pierda gran cantidad de energía cuando se tiene alta radiación solar. Cuando se suministra energía a una carga se requiere de tiempo significativo para la descarga, lo cual es un inconveniente cuando se tienen cargas que necesitan alto suministro de corriente en un intervalo pequeño de tiempo. Adicionalmente los sistemas instalados no cuentan con un mecanismo que de apoye a la batería en momentos que se encuentre descargada totalmente, creando así un problema para el funcionamiento del sistema en tempranas horas del día y en momentos que la batería no cuente con carga. Por tal razón

se hace necesario implementar un mecanismo que nos ayude a

mejorar la eficiencia de la batería durante el proceso de carga y descarga. También es necesario diseñar un sistema que proporcione apoyo a la batería en momentos que no cuente con la energía suficiente para el funcionamiento del sistema. Esperando así tener el mayor almacenamiento de la energía generada por el panel solar y una alta eficiencia del sistema durante su funcionamiento.

15

2.3 Formulación de problema ¿La implementación de Supercondensadores como complemento para la carga y descarga de la batería permitirá tener más eficiencia en el proceso de almacenamiento y distribución de la energía solar?

3. JUSTIFICACION La duración de las baterías depende de la cantidad de carga que almacenen, independientemente de su uso. Tienen una vida útil de unos 3 años o más si se almacenan

con

un

40%

de

su

carga

máxima,

cualquier

batería,

independientemente de su tecnología, se deteriora si se almacena sin carga. Los supercondensadores pueden ser cargados y descargados entre cien y mil veces más rápido que una batería convencional, estos dispositivos son una nueva clase de baterías. Hasta ahora, los supercondensadores han reemplazado a las baterías en aplicaciones tales como reservas para electricidad y electrónica, al control de las hojas de las turbinas y la apertura de emergencia de las puertas del autobús. Figura 2 Supercondensador de 2,7 voltios

Fuente: www.supercondensadores.com 16

4. OBJETIVOS 4.1. Objetivo general Construir un banco con un panel solar de 50 vatios, una batería de litio-ion calculada para esta potencia, supercondensadores en paralelo con la fuente, cargas y una guía que permita realizar una práctica de laboratorio. Optimizar el uso de la batería en el almacenamiento de energía solar con el uso de supercondensadores conectados en paralelo con la batería.

4.2. Objetivos Específicos  Construir un banco solar similar a los existentes en la facultad de ingeniería electromecánica adicionándoles los supercondensadores.  Realizar el análisis de energía de carga de la batería generando los datos y representándolos en forma gráfica.  Generar los datos de tiempo de carga de la batería, así mismo midiendo estas variables al momento de la descarga de la batería y de los Supercondensadores.  Diseñar una guía que permita realizar una práctica con el banco para el aprendizaje de los estudiantes de Ingeniería Electromecánica y Mecánica de la Universidad Antonio Nariño.

5. MARCO DE REFERENCIA

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Durante el desarrollo del presente trabajo se encontró entre otros los siguientes trabajos relacionados

con supercondensadores en el

almacenamiento de

energía: IDTechEx, empresa dedicada a la investigación de mercados y enfocada a nuevas tecnologías, ha publicado un interesante estudio comparando la viabilidad de las baterías de ion litio y la incipiente mejora de los supercondensadores. Figura 3 Supercondensador

Fuente: orococheselectricos.com Según el estudio “Supercapacitors can destroy the lithium-ion market” los avances en supercondensadores durante los últimos años se han sucedido mucho más rápido que en el campo de las baterías de ion litio, lo que podría poner en jaque el mercado de estás ultimas.

Figura 4 Automóviles Híbridos

18

Fuente: http://forococheselectricos. La principal diferencia entre baterías y supercondensadores es que los supercondensadores son acumuladores físicos, no químicos como las baterías, y su sistema de almacenamiento se basa en la separación de cargas. Las cargas se desplazan mucho más rápido que los iones (de litio, por ejemplo) y pueden por ello ofrecer mucha más potencia y cargarse tan solo en segundos. Por

su

fiabilidad,

duración

y

potencia

los

supercondensadores

o

supercapacitadores son preferidos a las baterías de ion litio, pero aunque estas últimas tengan muchos más puntos débiles su capacidad de almacenar energía 20 o 30 veces hacen que su mercado sea mucho mayor. 1

Figura 5 Supercondensador de Grafeno 1

http://forococheselectricos.com/2014/07/los-supercondensadores-acabaran-con-las-baterias-deion-litio.html

19

Fuente: http://forococheselectricos. Sin embargo IDTechEx calcula que para 2024 el mercado de supercondensadores alcanzará los 6.500 millones de dólares, superando al de las baterías. Esta predicción

tan

arriesgada

se

fundamenta

en

los

últimos

logros

en

supercondensadores, que en algunos casos han demostrado capacidades de 35 Wh/kg. Aunque no parezca mucho Nanotune Technologies asegura que alcanzará los 500 Wh/kg en los próximos años, doblando la densidad energética de las actuales baterías de ion litio. Pero no se trata solo de Nanotune, Maxwell Technologies, un gigante del sector de condensadores, espera triplicar muy pronto la densidad energética de sus productos y los fabricantes de condensadores basados en grafeno que apuntan a los 200 Wh/kg. 2 Figura 6 Auto buses Híbridos 2

http://forococheselectricos.com/2014/07/los-supercondensadores-acabaran-con-las-bateriasde-ion-litio.html

20

Fuente: http://forococheselectricos. En cualquier caso los expertos creen que los condensadores no tienen que llegar a igualar en capacidad a las baterías de ion litio para hacerse con un buen trozo del mercado de baterías. Gracias a otras ventajas, como duración, potencia y seguridad, ya se ha hecho con un 1% de este mercado teniendo tan solo una centésima parte de esa densidad energética. El Dr. Peter Harrop, coautor del estudio, pronostica que una mejora desde los 7 Wh/kg actuales a 40 Wh/kg podría multiplicar por 10 la participación de esta tecnología en el mercado, incluso teniendo en cuenta futuras mejoras en el rendimiento de las baterías de ion litio. Alcanzar la cifra de 100 Wh/kg igualaría la lucha entre las dos tecnologías.3 Los supercondensadores encuentran su uso en autobuses híbridos, como los que recorren Barcelona y muchas ciudades Chinas, Estadounidenses, en el sistema de arranque de camiones y serían un complemento perfecto para vehículos híbridos.

3

.J. Binduhewa, A.C. Renfrew, M.

Barnes, “Ultracapacitor Energy Storage for MicroGrid Microgeneration”,

the 4th International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, 2008.

21

5.2 MARCO TEORICO 5.2.1 Generalidades Los supercondensadores son dispositivos electroquímicos capaces de sustentar una densidad de energía alta en comparación con los condensadores normales, presentando capacitancias miles de veces mayor que la de los condensadores electrolíticos de alta capacidad.

5.2.2 Herramientas de Innovación El primer supercondensador fue patentado por el ingeniero eléctrico H. E. Becker en 1957, y se basaba en el principio de aumento del área de las placas, produciendo un aumento en el área de las placas y por tanto en la capacitancia. El primer supercondensador comercial lo fabricó Standard Oil of Ohio en 1969, con una interfaz de carbono. A pesar de los enormes problemas derivados de la enorme resistencia interna de los primeros supercondensadores, en los siguientes veinte años fueron utilizados para el desarrollo de los primeros magnetoscopios; usando para ello interfaces de carbono con placas de aluminio en plasma.

4

En 1991, se fabricó el primer supercondensador que presentó una baja resistencia interna. Estos dispositivos genero un gran interés por su posible aplicación en automóviles híbridos, por lo que se impulsó su investigación en todo el mundo.Una de las más importantes fue la iniciada en 1998 por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y que aún sigue vigente, actualmente los supercondensadores comerciales son de base carbono con un electrolito de metal alcalino. El principal productor es Maxwell, actualmente la investigación con supercondensadores se

4

web.ing.puc.cl/power/alumno12/almacena/Supercondensadores.html

22

está enfocando en autos híbridos y su uso en sistemas de energía solar y energía eólica. 5

5.2.3. Ventajas de Supercondensadores La investigación en supercondensadores se encuentra motivada por las enormes ventajas que su uso representa para el desarrollo de circuitos eléctricos como:        

Gran período de operación Capacidad de manejar altos valores de corriente Valor de carga fácil de monitorear Alta eficiencia Gran rango de tensión Gran rango de temperatura Ciclos de funcionamiento largos Facilidad de mantenimiento

5.2.4. Automóviles híbridos En cuanto las aplicaciones de los supercondensadores, éstos pueden utilizarse en automóviles eléctricos o híbridos. Otorgarían la enorme carga eléctrica almacenada en muy poco tiempo que ayudarían a accionar el motor eléctrico cuando

el

vehículo

se

encuentre

en

alto

total.

Posteriormente,

el

supercondensador se volvería a cargar relativamente rápido para volver a ceder su carga eléctrica en algún otro alto. Bajo este mismo principio, un supercondensador podría apoyar con potencia eléctrica a un motor de un elevador, por ejemplo. También, podría utilizarse para alimentar eléctricamente dispositivos electrónicos como móviles, relojes, cámaras fotográficas, entre otros, durante periodos relativamente largos.

6

5

http://web.ing.puc.cl/power/alumno12/almacena/Supercondensadores.html

6

http://papeldeperiodico.com/2013/10/02/que-son-los-supercondensadores

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Figura 7 Esquema Automóviles Híbridos

Fuente: http://papeldeperiodico.com/2013/10/02/que-son-lossupercondensadores/ 5.2.4.1 Actualidad automóviles híbridos El nuevo nano material testado por Volvo, permite fabricar piezas de coche capaces de almacenar la energía del freno regenerativo para alimentar hasta con 12 voltios el sistema del coche, reduciendo el peso del vehículo hasta en un 15%. La implementación de baterías y sistemas de almacenamiento de energía más eficientes en los coches híbridos y eléctricos supondrá todo un revulsivo para esta industria y el despegue definitivo de este tipo de vehículos sostenibles dentro del mercado del automóvil. Por eso compañías automovilísticas como Volvo han dado un paso más en esta carrera de fondo, desarrollando un revolucionario sistema de almacenamiento de energía para coches eléctricos que tratará de sustituir a las baterías actuales. La novedad de este nuevo sistema reside en la implementación de baterías nano estructuradas y supercondensadores que podrían ofrecer un almacenamiento de energía más ligero y con un menor consumo de espacio en el vehículo. 24

Figura 8 Batería Grafeno

Fuente: http://blogthinkbig.com/baterias-coches-grafeno La solución al problema de las baterías actuales se ha centrado en el diseño de un nuevo compuesto a partir de la combinación de fibra de carbono y una resina polimérica, con la que se obtiene un nano material que colabora de forma conjunta con supercondensadores estructurales. Este compuesto permite ser moldeado gracias a la fibra de carbono para adaptarse a la forma de las diferentes partes del vehículo, quedando completamente integrado en la propia carrocería, los paneles de las puertas y el portón del maletero. De esta forma se consigue un ahorro considerable del peso y el espacio ocupado por estos componentes, quedando los supercondensadores perfectamente integrados en la estructura del vehículo. El material se recarga bien por el uso del freno regenerativo, bien conectándose a una fuente de alimentación tal y como lo hacen los vehículos híbridos o eléctricos actuales. Dicha energía almacenada en el material, se transfiere al motor eléctrico y al resto de sistemas eléctricos del vehículo, permitiendo tiempos de recarga y almacenamiento mucho más rápidos que las baterías actuales.

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Figuran 9 automóviles Volvo

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

5.2.5 Almacenamiento de energía Uno de los usos más extendidos de supercondensadores es su uso en sistemas micro electrónicos, memorias de computadoras, relojes y cámaras de alta precisión. Su uso permite mantener el funcionamiento de los dispositivos durante horas e incluso días. Una aplicación estudiada ampliamente en la actualidad es el uso de supercondensadores en sistemas UPS. Se utilizan para facilitar la transferencia de energía, hacer más eficiente la carga de energía eléctrica, permitiendo el aislamiento de los sistemas UPS para el funcionamiento de sistemas eléctricos. Un equipo de investigadores de una universidad de Corea del Sur ha conseguido producir baterías para coche basadas en supercondensadores de grafeno en polvo, que se pueden cargar en segundos, y que además tras muchos ciclos no pierden capacidad de carga significativa. La capacidad de estas baterías sería del orden de las de litios empleadas actualmente de forma masiva.

7

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

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7

Los supercondensadores pueden cargar y descargar entre cien y mil veces más rápido que las baterías convencionales. Esta nueva clase de baterías, llamadas supercondensadores a micro escala a base de grafeno, están hechas de una capa de un átomo de carbono de espesor. Además, su fabricación es relativamente sencilla y se podrá integrar fácilmente a distintos aparatos. Para desarrollar su nuevo micro supercondensador, los investigadores utilizaron una lámina bidimensional de carbono, conocido como grafeno.

5.2.6 Autobuses equipados con supercondensadores En París están probando autobuses híbridos de la empresa MAN equipados con supercondensadores aparte de un motor diésel. El arranque lo realizan los motores eléctricos con la energía de los supercondensadores y el motor diésel se pone en funcionamiento una vez el autobús está en marcha. Así se obtiene un ahorro de combustible del 20-25% y una reducción de la contaminación sonora.

Figura 10 Autobús supercondensadores

8

http://www.autobloggreen.com/2009/04/15/paris-tests-a-new-hybrid-bus-that-uses-ultracapacitors

27

8

Fuente: /www.autobloggreen.com 5.2.7 Supercondensadores Los supercondensadores están formados por pares de placas conductivas separadas por un medio dieléctrico. Éstos se diferencian de un condensador o capacitor normal en que ofrecen una alta capacitancia en poco espacio. Además, los supercondensadores tienen una superficie de electrodos significativamente más grande que la de los condensadores normales, acoplada con una placa eléctrica delgada entre el electrodo y el electrolito. Tienen la capacidad de ser cargados y descargados en muy poco tiempo, lo cual los hace apropiados antes interrupciones de suministro de poca duración. Desarrollos recientes han logrado que esta tecnología pueda lograr una densidad de energía de 60Wh/kg y densidad de potencia de 100.000 W/kg. Un condensador de alta capacidad tiene un gran rendimiento (el 98% de la carga se devuelve). Figura 11 Supercondensador de 400 Faradios (2.7 V)

28

Fuente: www.supercondensadores/polianilna Además de los supercondensadores de carbono, hay otros con una mayor capacidad aún. Generalmente están basados en polímeros conductores como la polianilina, el polipirrol, el politiofeno, entre otros. Las capacidades de los supercondensadores basados en polímeros conductores están en el orden de los cientos de Faradios por gramo. Para una velocidad de carga y descarga mayor, es preferible que el polímero sea lo más poroso posible. Esto facilita la interacción de los iones en solución con las cadenas poliméricas. La ventaja de estos dispositivos con respecto a los de carbono, es que pueden almacenar cientos de veces más carga eléctrica, la desventaja, es que su vida útil es sensiblemente menor. Actualmente, se realiza una amplia investigación científica para hacerlos más eficientes. Posteriormente, el supercondensador se volvería a cargar relativamente rápido para volver a ceder su carga eléctrica en algún otro alto. Bajo este mismo principio, un supercondensador podría apoyar con potencia eléctrica a un motor de un elevador.

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Como podemos ver, el supercondensador sería un dispositivo intermedio entre una batería eléctrica y un condensador convencional. En ciertas condiciones podría utilizarse como batería, y en otras, como condensador. Sería como obtener un enorme tanque para almacenar agua, que a veces tenga la función de presa, y a veces de tanque para el lavado de botellas, como vimos en nuestra analogía.

5.2.7.1 Sistemas basados en supercondensadores Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica en forma de cargas electroestáticas confinadas en pequeños dispositivos, formados por pares de placas conductivas separadas por un medio dieléctrico. La construcción y funcionamiento es similar a un condensador convencional a gran escala. Un supercondensador puede llegar a tener capacidades del orden de miles de faradios. Los supercondensadores son caracterizados por poder ser cargados y descargados en brevísimos períodos de tiempo, del orden de segundos o menos, lo cual los hace especialmente apropiados para responder ante necesidades de puntas de potencia o ante interrupciones de suministro de poca duración. Ello es debido a que el almacenamiento de cargas es puramente electroestático. Figura 12 Supercondensadores varios

Figura: Ashutosh K. Singh y Kalan Mandar

30

En los últimos años, los supercondensadores han surgido como una alternativa o complemento importante para otros dispositivos de producción o almacenamiento de energía eléctrica como las pilas de combustible o las baterías. La principal virtud del primero frente a los dos últimos es la mayor potencia que es capaz de inyectar, aunque poseen una menor densidad de energía. Otras características de los supercondensadores son la rapidez de carga y descarga, pueden proporcionar corrientes de carga altas, cosa que daña a las baterías, el número de ciclos de vida de los mismos, del orden de millones de veces, no necesitan mantenimiento, trabajan en condiciones de temperatura muy adversas y por último, no presentan en su composición elementos tóxicos, muy común en baterías. La principal desventaja de los supercondensadores es la limitada capacidad de almacenar

energía.

En

realidad

debido

a

sus

diferentes

prestaciones,

condensadores y baterías no son sistemas que rivalicen entre sí, sino más bien se pueden considerar en muchas aplicaciones como sistemas complementarios donde la batería aporta la energía mientras el supercondensador aporta los picos de potencia. Los materiales estudiados como electrodos para supercondensadores son principalmente de tres tipos: óxidos de metales de transición, polímeros conductores y materiales de carbono activados. Con óxidos metálicos se han conseguido valores de capacidad muy altos, pero estos supercondensadores tienen la desventaja de que son excesivamente caros y por lo tanto sólo se utilizan en aplicaciones militares y en la industria aeroespacial. El uso de polímeros conductores también puede dar lugar a capacidades relativamente altas, pero estos materiales presentan el inconveniente de que sufren hinchamiento y contracción, lo cual es indeseable puesto que pueden ocasionar la degradación de los electrodos durante los ciclos de carga y descarga. Finalmente, los materiales de carbono se presentan como los materiales activos del electrodo más atractivos, debido a su bajo coste relativo, elevado área superficial (pueden superar los 2500 31

m2·g-1) y gran disponibilidad. Además, los materiales de carbono pueden presentar unas estructuras diferentes. Muchos científicos están trabajando para desarrollar, supercondensadores de bajo costo ligeros verdes con un alto rendimiento, y ahora dos investigadores han desarrollado un nuevo electrodo supercondensador basado en una nano estructura híbrida hecha de un óxido de óxido de hierro cubierta exterior de níquel híbrido y un conductor de hierro-níquel núcleo. Su estructura de núcleo, corteza podría significar más rápido el tiempo y duración de la batería de carga en los vehículos eléctricos y electrónicos portátiles.

9

Figura 13 Composición Supercondensadores

Fuente: Ashutosh K. Singh y Kalan Mandar / Centro Nacional SN Bose de Ciencias Básicas

9

Ashutosh K. Singh y Kalyan Mandal / Centro Nacional SN Bose de Ciencias Básicas, India

32

Son electrodos de supercondensadores de alto rendimiento. En la Izquierda de la Figura 13 se muestra: campo de microscopio electrónico de barrido de emisión y microscopio electrónico de transmisión micrografías; en la Derecha: vista en sección de un solo nano estructura híbrida. Como un dispositivo de almacenamiento de energía, los supercondensadores han atraído una atención considerable en los últimos años debido a su ultra-alta carga y velocidad, excelente estabilidad, vida de ciclo largo y muy alta densidad de potencia de la descarga. Imagínese cargar su teléfono celular en tan sólo unos segundos o repostar un coche eléctrico en más que unos minutos, que son a la vez parte del futuro prometedor que supercondensadores podían ofrecer.

5.3 MARCO CONCEPTUAL En un artículo publicado en la revista Jornal of App lied Physis, de AIP Publishing, se informa de la técnica de fabricación del electrodo nano estructura híbrida, También demuestran su rendimiento superior en comparación con, electrodos de supercondensadores no híbridos existentes. Puesto que el óxido de níquel y óxido de hierro son materiales respetuosos con el medio ambiente y baratas que están ampliamente disponibles en la naturaleza, la novela electrodo promete supercondensadores de bajo costo verde y en el futuro. 5.3.1 La promesa del Supercondensador Los Supercondensadores son dispositivos electrónicos utilizados para almacenar una cantidad extremadamente grande de cargas eléctricas. También son conocidos como condensadores electroquímicos, y prometen alta densidad de potencia, capacidad de velocidad alta, la estabilidad del ciclo excelente y alta densidad de energía.

33

En los dispositivos de almacenamiento de energía, almacenar una carga eléctrica se llama "densidad de energía", una distinción de la "densidad de potencia", que se refiere a la rapidez con la energía que se entrega. Condensadores convencionales tienen alta densidad de potencia pero baja densidad de energía, lo que significa que pueden cargar y descargar rápidamente y liberar una ráfaga de energía eléctrica en un corto tiempo, pero no pueden contener una gran cantidad de cargas eléctricas. Las baterías convencionales, por otro lado, son lo contrario. Tienen alta densidad de energía o puede almacenar una gran cantidad de energía eléctrica, pero puede tomar horas para cargar y descargar. Los Supercondensadores son un puente entre los condensadores y las baterías convencionales, que combina las propiedades ventajosas de alta potencia, alta densidad de energía y baja resistencia interna, que puede reemplazar las baterías como fuente de energía potencialmente más segura y

rápida, fiable y de dispositivos electrónicos y

eléctricos portátiles en el futuro. En los supercondensadores, la alta capacidad, o la capacidad de almacenar una carga eléctrica, es fundamental para lograr una mayor densidad de energía. Mientras tanto, para lograr una mayor densidad de potencia, es crítico tener una gran área de superficie electroquímicamente accesible, alta conductividad eléctrica y caminos de difusión de iones cortos. Materiales nanos estructurados activos proporcionan un medio para estos fines. 5.3.2 Cómo realiza el nuevo electrodo El uso de técnicas llamadas voltámetro cíclica y métodos de carga, descarga galvanos taticas, Singh y Mandal estudiaron las propiedades electroquímicas de los electrodos material híbrido, Comparando con las contrapartes, electrodos no híbridos como el níquel, óxido de níquel y hierro, núcleo de óxido de hierro, 34

electrodos nanos estructura de concha, el electrodo de material híbrido demostró mayor capacidad, mayor densidad de energía y una mayor carga, tiempo de descarga.10

5.3.3 Sistema de recuperación de energía 5.3.3.1 Dispositivos de almacenamiento de energía Los dispositivos de almacenamiento de energía se pueden clasificar en dos tipos de acuerdo a la forma en que almacenan la energía: dispositivos de almacenamiento directo y de almacenamiento indirecto. En el almacenamiento directo si la energía es eléctrica se almacena en dispositivos eléctricos; si la energía es magnética, existen sistemas de almacenamiento de energía magnética por superconducción. Los supercondensadores almacenan la carga eléctrica por medio de sus electrodos mientras que los magnéticos almacenan la carga magnética a través de un núcleo superconductor. En el almacenamiento indirecto se usan técnicas para almacenar la energía en forma de calor, aire comprimido e hidrógeno sin embargo, esta forma no es tan efectiva pues hay ocasiones en que se pierde más energía de la que se puede almacenar. En el transporte las baterías han sido la fuente de energía eléctrica durante muchos años y hoy en día en combinación con los supercondensadores, resultan ser en conjunto una fuente de energía atractiva y eficiente para su aplicación en vehículos eléctricos.

10

11

Ashutosh K. Singh, Kalyan Mandal Ingeniería de alta electrodo supercapacitor rendimiento basado en Fe-Ni / Fe2O3-NiO 11 simulación de un sistema de recuperación de energía basado en supercapacitores con aplicación en tracción eléctrica tesis/ ing. Iván Ignacio Juárez Hernández

35

Figura 14 Diagrama Bloques

Fuente: Clasificación de los Dispositivos de Almacenamiento de Energía 5.3.3.2 Tecnología de la Batería La batería es un dispositivo indispensable en el accionamiento del motor de vehículos de combustión interna y vehículos eléctricos. Ha sido utilizada durante muchos años debido a su alta densidad de energía. Una batería es una unidad eléctrica y mecánica que convierte energía química en energía eléctrica cuando se descarga y viceversa cuando se carga. En la mayoría de los casos una batería es un arreglo de celdas electroquímicas en la cuales se genera un potencial eléctrico entre los electrodos (positivo y negativo) y el electrolito. La reacción química entre los electrodos y el electrolito genera electricidad 12. El electrolito de las baterías usadas en vehículos eléctricos es un gel, una pasta o una resina. La mayoría de sistemas de tracción eléctrica usan baterías de plomo-ácido, sin embargo su ciclo de vida es pobre a comparación con otras baterías en el mercado (NiMH, Zebra Li12

simulación de un sistema de recuperación de energía basado en supercapacitores con aplicación en tracción eléctrica tesis/ Ing. Iván Ignacio Juárez Hernández

36

ion). Con la aparición de los supercondensadores 13y combinándolos con la batería es posible extender el tiempo de vida de una batería. Para las aplicaciones de en una batería se debe tener en cuenta lo siguiente:    

Densidad de energía: cantidad de energía almacenada por unidad de masa. Densidad de potencia: cantidad de potencia por unidad de masa. Voltaje de cada celda: voltaje en las terminales de una celda elemental. Eficiencia: la razón entre la energía que entrega la batería y la energía

   

requerida por la batería para regresar al estado inicial de la descarga. Temperatura de operación. Razón de auto descarga. Ciclos de carga. Razón de carga; la razón a la que la energía es regresada a la batería

5.3.3.3 Modelo de la Batería La batería se modela frecuentemente como una fuente de voltaje en serie con una Resistencia. Debido al proceso electroquímico de la batería no es fácil modelar el comportamiento por lo que existen modelos complejos en la literatura que modelan las Baterías de plomo-ácido, a partir de la determinación de algunos parámetros como la temperatura y la capacidad nominal de carga y descarga.

Figura 15 Modelo Eléctrico de la Batería.

13

simulación de un sistema de recuperación de energía basado en supercapacitores con aplicación en tracción eléctrica tesis/ ing. Iván Ignacio Juárez Hernández

37

Fuente: simulación de un sistema de recuperación de energía basado en Supercapacitores Este modelo asume que la resistencia interna es constante durante los ciclos de carga y descarga y no varía con la amplitud de la corriente. Los parámetros se obtienen de la descarga de una batería y se asume que son los mismos cuando se carga la batería. La capacidad de la batería no cambia con la amplitud de la corriente por lo que no hay efecto de Peukert. En cuanto a la capacidad en Ah. La temperatura, la autodescarga y el efecto memoria de la batería no son considerados en este modelo.14 5.3.3.4 Tecnología del Supercondensador Los capacitores comunes se clasifican en electrostáticos y electrolíticos dentro de los capacitores electrolíticos existe una subclase especial llamados capacitores electroquímicos de doble capa (EDLC) Ultra capacitores

(U.S.A.)

también

conocidos

como

y supercondensador (Europa). Los capacitores

electroquímicos de doble capa aparecieron en 1853 cuando Helmholtz investigaba 14

simulación de un sistema de recuperación de energía basado en supercapacitores con aplicación en tracción eléctrica tesis/ ing. Iván Ignacio Juárez Hernández 38

las propiedades capacitivas entre un metal y una solución electrolítica. Sin embargo, General Electric patentó los primeros capacitores electrolíticos hechos con electrodos de materiales porosos en 1957. Años más tarde en 1966 la compañía Standard Oil of Ohio (SOHIO) patentó un dispositivo que almacenaba energía en el espacio conocido como doble capa. No obstante SOHIO terminó otorgando la licencia a Nippon Electric Company (NEC) quien los comercializó con el nombre de supercapacitores. En los 80’s el Pinnacle Research Institute, Inc. (PRI), fabricó dispositivos de almacenamiento conocidos

como ultracapacitores,

desarrollados principalmente para aplicaciones militares. Para principios de los 90 ´s diversas compañías como Maxwell Technologies, empiezan la producción de supercapacitores pudiendo encontrar en el mercado desde algunos Faradios hasta miles de Faradios. De aquí en adelante en este trabajo se les nombrará como supercapacitores.

5.3.3.5 Modelo del Supercondensador Los supercapacitores son fabricados con electrodos compuestos por materiales porosos como el carbón y algunos óxidos metálicos (Rutenio, Iridio), inmersos en una sal electrolítica Los carbones activados en cada lado de los electrodos (ánodo y cátodo) son separados por una membrana conductora, por lo que el funcionamiento del supercapacitor dependerá de la porosidad de los carbones activados y del tamaño molecular de los iones electrolíticos. En la figura 16 se muestra en color azul los iones negativos y en rojo los iones positivos alrededor de las moléculas del electrolito, la sal electrolítica impregna el carbón activado cuando se aplica un campo eléctrico en los electrodos. 15 Figura 16 Fenómeno electroquímico en un supercapacitor 15

simulación de un sistema de recuperación de energía basado en supercapacitores con aplicación en tracción eléctrica tesis/ ing. Iván Ignacio Juárez Hernández 39

Fuente: simulación de un sistema de recuperación de energía basado en supercapacitores

Existen varios modelos eléctricos que intentan aproximar el comportamiento físico del supercapacitor. El modelo equivalente del supercapacitor que se muestra en la figura 17 y consiste de 4 elementos ideales: un resistor en serie equivalente, un inductor, un capacitor C y un resistor en paralelo. 16

.

Figura 17 Modelo de un supercapacitor de primer orden

Fuente: simulación de un sistema de recuperación de energía El resistor modela las pérdidas de energía durante la carga y descarga del supercapacitor, mientras que en se pierde energía por la auto descarga del propio 16

simulación de un sistema de recuperación de energía basado en supercapacitores con aplicación en tracción eléctrica tesis/ ing. Iván ignacio Juárez Hernández 40

capacitor. A también se le conoce como resistencia en serie equivalente, la cual depende de parámetros como la temperatura. Si la temperatura aumenta la resistencia es más grande. En aplicaciones de alta frecuencia las impedancias mencionadas son consideradas sin embargo, en alta potencia es mucho mayor que por lo que se puede despreciar. Se considera el circuito de la figura 18 en el que se desprecia la inductancia L. Figura 18 Circuito equivalente descarga

Fuente: simulación de un sistema de recuperación de energía basado en Supercapacitores La eficiencia del supercapacitor se ve afectada por las pérdidas de energía en la resistencia. En la figura 19 se muestra la curva de eficiencia en función del tiempo para descarga a corriente constante. Se elige la escala semilogarítmica en el eje x y aritmética en el eje y para visualizar la gráfica de forma más práctica. Con los parámetros establecidos se observa que se alcanza una eficiencia del 90% a partir de 8 segundos. Aproximadamente en 400 segundos se llega al 100% de

41

eficiencia, en este momento el supercapacitor ha transferido la energía disponible del supercapacitor hacia la carga.17 Figura 19 Eficiencia de un supercapacitor para descarga a corriente constante.

Fuente: simulación de un sistema de recuperación de energía basado en Supercapacitores 5.3.3.8 Descarga del Supercapacitor a Potencia Constante En éste método se desea que la potencia con la que se descarga el supercapacitor sea constante. Si la potencia es constante, el voltaje en el supercapacitor varía por la descarga, mientras que la corriente en el supercapacitor también varía. De esta forma se mantiene la potencia constante. La siguiente tabla muestra los parámetros que se utilizan para descargar un módulo de Maxwell Technologies con potencia constante. 18 5.4 MARCO METODOLOGICO 17

simulación de un sistema de recuperación de energía basado en supercapacitores con aplicación en tracción eléctrica tesis/ ing. iván ignacio juárez hernández 18

42

5.4.1 Tipo de Investigación El presente trabajo de investigación está enfocado inicialmente en un tipo de investigación

cualitativa,

donde

se

evaluará

el

funcionamiento

de

los

supercondensadores utilizados en un banco solar; posteriormente se optara por utilizar la metodología cualitativa para determinar mediante pruebas la eficiencia de los supercondensadores en el complemento de la batería para la carga.

5.4.2 Hipótesis de la Investigación Una vez estructurado el sistema de los Supercondensadores, se podrá innovar y crear un nuevo sistema de complemento para el almacenamiento de energía; y de igual manera no solo permitirá incursionar en nuevos mercados, sino además aumentar la capacidad de almacenamiento de energía y disminuir tiempos de carga y descarga de la batería en el sistema.

5.43 Técnicas de Recolección de datos La fuente de información primaria serán los datos que se recolecten en las pruebas realizadas a los supercondensadores y la batería durante su funcionamiento. La fuente de información secundaria se obtendrá de las investigaciones realizadas sobre el funcionamiento de los supercondensadores y textos sobre el almacenamiento de energía.

6. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION

43

6.1 Descripción del sistema Para el desarrollo del proyecto es necesario implementar un sistema de energía solar con supercondensadores, complementando la batería a la hora de cargar y descarga; lo anterior es aprovechando los picos máximos de energía en los momentos donde se presenta mayor radiación solar. En la construcción del proyecto fue necesario utilizar los siguientes componentes:     

Panel solar de 50 w Supercondensadores de 2.7 V 500F Regulador de Voltaje de 12 V 1 Batería de 12 V 12 h y 1 Batería 12 V 18h Bombillos de 3 W

6.1.1 Panel solar 60W 12V Los paneles solares INTI son excelentes módulos en cuanto a su salida de potencia y confiabilidad a largo plazo. Son módulos probados independientemente para asegurar la conformidad con estándares y regulaciones. Sus celdas solares tienen una transmisión elevada y son de fibra texturizada, lo que contribuye a que entregan energía de forma altamente eficiente. Además cuentan con diodos de bypass que minimizan la caída de potencia causada por sombras. Son paneles cuidadosamente fabricados con fibra de vidrio templada, resina EVA, película resistente al agua y marco de aluminio lo que aseguran 100% su uso para exteriores Planos de ingeniería

44

Figura 20 Panel solar

Fuente: paneles solares INTI

En la figura 20 se puede ver las dimenciones de el panel solar utilizado en el presente trabajo de grado, y la distriducion de las celdas solares, conexiones. Tabla 1 Coeficientes de temperatura Coeficiente de temperatura de la Isc Coeficiente de temperatura del Vo Coeficiente de temperatura de máxima potencia Coeficiente de temperatura de la Imp Coeficiente de temperatura del Vmp

+0,04%*°C 0,38%*°C 0,47%*°C +0,04%*°C 0,38%*°C

Fuente: Paneles solares INTI Tabla 2 Especificaciones tecnicas Potencia máxima

60W 45

Tipo de celda Voltaje de máxima potencia (Vmp) Corriente de máxima potencia (Imp) Voltaje de circuito abierto (Voc) Corriente de cortocircuito (Isc) Eficiencia de la celda Eficiencia del módulo NOCT Número de celdas Dimensiones del módulo Peso del módulo Grosor de fibra protectora Diodo de bypass Peso máximo en la superficie Temperatura de operación Certificaciones Condiciones estándar de prueba

Policristalino 19,01V 3,16ª 22,61V 3,38ª 17,30% +/- 3% 13,71% +/- 3% 47°C +/- 2°C 4*9 655 * 668 * 35mm 5,2kg 3,2mm 10ª 2400 – 5400Pa -40°C – 85°C CE, ISO, TUV 1000W

Fuente: Paneles solares INT 6.1.2 Supercondensadores 2.7V 500F  Una carga rápida y carga de 10 segundos a 10 minutos puede llegar a la capacidad nominal de más de 95%.  Un ciclo de vida largo, la carga de profundidad de descarga utilización ciclo de frecuencia puede llegar a 1 ~ 50 millones de veces, no hay ningún problema descarga excesiva.  La capacidad de descarga de corriente grande es fuerte, la eficiencia de conversión de energía es alta, el proceso de pérdida, alta eficiencia de corriente de energía superior al 90%.  La densidad de potencia es alta, de hasta 300 W / KG ~ 5000W / kg, equivalente a 5 ~ 10 veces la de la batería.  La composición, la producción de la materia prima del producto, uso, almacenamiento y proceso de desmantelamiento

no tiene ninguna

contaminación, es una fuente de protección del medio ambiente verde ideal.

46

 Los ultra características de baja temperatura, amplio rango de temperatura de -40 ~ 70 °c.  La detección es conveniente, la energía restante se puede leer directamente.  El rango de capacidad suele ser 0.01F ~ 1000F.  Estándar calidad: ISO 9000; ISO 9001: 2000; ISO 9001: 2008; ISO 14001: 2004, CE, ROHS. Tabla 3 Especificaciones tecnicas

SUPERCONDENSADOR Nombre Súper capacitor 2.7v500f

características

Aplicaciones

1.Vida útil: hasta 1.200.000 ciclos, libre de mantenimiento 2 se puede utilizar como una batería recargable 3. Carga rápida: carga 10 segundos para alcanzar su capacidad nominal de más de 95% Ampliamente utilizado en el teléfono inalámbrico, teléfono celular, cámara digital, electrodomésticos inteligentes, juguete electrónico, cerradura inteligente, inteligente metros, MP3, PDA, DVD, VTR, GPS, PLC, fax mac-Hine, equipo de audio, cocina eléctrica, calentador de agua eléctrico, autoalimentado súper linterna, impresora, la luz trasera, juguetes electrónicos, la caja registradora fiscal, UPS,, energía eólica, energía solar, reciclaje Sistema de la batería y así sucesivamente.

Fuente: www.alibaba.com/p-detail/2-7v-500f-supercapacitors-for-electronic-carand-bus-starting-1817868254.html

6.1.2 Regulador de voltaje de 12 V Regulador de carga Steca 6A apto para tensiones de 12V y de 24V. Con el regulador de carga Steca de 6A, podemos conectar paneles solares tanto de 12V como de 24V que no superen 6A de carga entre todos. La relación calidad precio 47

de los reguladores de carga Steca permiten decir que son los más usados en sistemas fotovoltaicos aislados. Tabla 4 Especificaciones tecnicas Reguladores de Carga Amperios / Hora Entre 0A y 10ª Tensión del Regulador de Carga 12V o 24V Consumo del Regulador de Carga < 4 mA Garantía Regulador de Carga 2 años Corriente de Consumo del Regulador de carga 6 A Tensión de Final de Carga 13 Tensión de reactivación > 50 12 Dimensiones del Regulador de Carga 145 x 100 x 24 mm Peso del Regulador de carga aprox. 150 g Fuente:www.autosolar.es/regulador-de-carga/regulador-carga-steca-6a

6.1.2 Batería de 12 V La batería almacena y la energía producida por el panel solar, esta será utilizada por los equipos diseñados para esta misma o será transformada a corriente alterna por un inversor de corriente. La cantidad de baterías necesarias en un equipo aislado lo determina la cantidad necesaria de energía a utilizar entre el día y la noche, contamos con baterías de electrolito líquido abiertas o cerradas y de electrolito inmovilizado (GEL) para sistemas que requieran muy poco mantenimiento. 48

Para la elección de la batería idónea en el trabajo de investigación, es necesario aclarar que el panel solar cuenta con aproximadamente 4 horas de radiación solar durante el día; de lo anterior podemos deducir la siguiente ecuación: E=Pt*h

(1)

De donde podemos decir que E es la cantidad de energía generada por el panel en un día; Pt es la potencia del panel en vatios, y h es la cantidad de horas con radiación solar en el día; de lo anterior: E= 60*4 E= 240W De la anterior ecuación se puede afirmar que durante un día se producen 240 W por parte del panel solar, es decir, necesitaremos una batería la cual nos permita almacenar la totalidad de la energía generada por parte del panel solar.

Para le elección de la batería

del sistema es necesario utilizar la siguiente

ecuación: Eb=V*Ah

(2)

De donde se puede decir, que Eb es la cantidad de energía almacenada por la batería y su unidad de media es los vatios, V es el voltaje manejado por la batería y Ah es la cantidad de corriente de la batería en Amperios hora. Para el presente proyecto de grado se decidió instalar dos baterías de acuerdo a la ecuación (2), las cuales tienes las siguientes condiciones que se probaran con la ecuación.

49

Batería 1 V=12 (voltios) Ah= 12 (amperios hora) Eb=12*12 Eb= 144 W Batería 2 V=12 (voltios) Ah= 18 (amperios hora) Eb=12*18 Eb= 216 W De las ecuaciones anteriores realizaremos una sumatoria de las potencias halladas en cada batería; de donde sale la ecuación (3), aclarando que ET es la sumatoria de las potencias. ET= Eb1+Eb2

(3)

ET= 144+216 Et=360 W De acuerdo con los dos resultados de la baterías 1 y 2, se decidió instalarlas en paralelo, logrando así tener una capacidad de 360 W de almacenamiento, para poder garantizar una capacidad de almacenamiento un poco mayor a la cantidad de energía generada por el panel solar en 4 horas de continua radiación solar; lo anterior con el fin de tener un umbral en caso de presentarse más de cuatro horas de radiación solar.

50

Vale anotar que de acuerdo a las ecuaciones empleadas anteriormente, para el presente sistema, seria valido utilizar una batería de 12 v – 20Ah puesto que esta batería daría una capacidad de almacenamiento de 240W, que es la energía promedio generada por el panel en un día normal; no obstante es importante aclarar que en el desarrollo del presente trabajo de grado se decide implementar dos baterías logrando mayor capacidad de almacenamiento que la energía promedio generada por el panel solar, garantizando un margen entre la energía producida por el panel y la capacidad de almacenamiento del sistema. 6.2 Diagrama eléctrico sistema En el desarrollo del presente trabajo de grado, fue necesario realizar un diagrama eléctrico de la conexión de los componentes, logrando así tener un sistema de recolección y almacenamiento de energía solar. En la implementación del trabajo de grado se diseñó un circuito eléctrico que nos permita realizar las distribución de los componentes del sistema, para tal fin se utiliza un software para diseñar diagramas eléctricos.

Diagrama 1 Diagrama eléctrico sistema

51

Fuente: Propia de la Investigación

En el anterior diagrama se observa la conexión de los componentes del sistema; se puede notar que del panel solar salen dos líneas, una positiva y una negativa las cuales llegan al regulador de voltaje; el cual es el encargado de distribuir y regular la energía entregada por el panel, saliendo cuatro (4) líneas las cuales serán utilizadas para alimentar la batería y los bombillos. La Batería se conectará en paralelo con los supercondensadores, logrando que se apoyen a la carga de la misma. Los supercondensadores están conectados entre sí en serie; lo anterior para poder tener

una mayor

capacidad de

almacenamiento que la batería, puesto que cada supercondensador es de 2.7 V logrando así tener una capacidad de 13.5 V.

6.2.1 Diagrama eléctrico supercondensadores

52

Este

trabajo

de

investigación

tiene

como

fin

la

implementación

supercondensadores como apoyo al momento de la carga

de

y descarga de la

batería, logrando aprovechar los picos de luz solar durante un día normal y suministrando cargas en instantes de tiempo. Diagrama 2 Diagrama supercondensadores

Fuente: Propia de la Investigación En el desarrollo del proyecto se diseñó el diagrama 2, en el cual se puede ver que se utilizaron 4 supercondensadores de 2,7 V Y 500 F, y 5 supercondensadores de 2,7 V Y 100 F. En el diagrama se muestra, que se conectaron 2,7 V

cuatro supercondensadores de

Y 500 F en serie; adicionalmente se realiza la conexión de 5

supercondensadores de 2,7 V Y 100 F en paralelo entre sí, logrando así formar

53

un supercondensador resultante de 2,7 V Y 500 F, el cual se conectará en serie con los otros 4 supercondensadores. Se decidió utilizar los supercondensadores en serie, logrando una capacidad de carga elevada y un voltaje semejante al manejado por la batería; lo anterior se puede expresar con las siguientes ecuaciones:

Vt= V1+ V2 + V3+ V4+ V5 Vt= 2,7 v + 2,7 v + 2,7 v + 2,7 v + 2,7 v Vt= 13,5 V De donde se puede decir que Vt es el voltaje total de los supercondensadores dado en Voltios, V1 es el voltaje de cada uno de los supercondensadores en voltios. Para hallar la carga de los supercondensadores se utilizó la siguiente ecuación Qt = Q1= Q2=Q3= Q4= Q10 Q1= C1* V1 Q1= 500*2.7 Q1= 1350 Columbios De donde se sabe que Qt es la carga total en Columbios; y C es la Capacidad del supercondensador en Faradios.

54

La Energía total de los Supercondensadores se puede calcular de la siguiente manera: U= De donde tenemos que para los supercondensadores es: Q= 1350 Columbios C=100 Faradios Al remplazar los datos del sistema en la ecuación se obtiene el siguiente resultado. U= U= 9112.5 Julios

6.2.1 Diagrama eléctrico de Optimización de energía Durante el desarrollo del presente proyecto de investigación surgió la necesidad de diseñar un mecanismo que permitiera optimizar la energía generada por el sistema, para suplir esta necesidad surge la idea del ingeniero Álvaro Torres de diseñar un sistema eléctrico que permita aprovechar las cualidades de los supercondensadores, logrando así aprovechar la mayor cantidad de energía generada por el sistema. En el diseño del circuito eléctrico se decidió implementarles a los circuitos ya existentes en el proyecto un nuevo componente, dicho componente es un Diodo De 6 Amperios, el cual su principal función será permitir el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido.

55

Diagrama 3 Diagrama Optimización

Fuente: Propia de la Investigación Con el diagrama de optimización de la energía, se logra garantizar que cuando la batería este sin carga necesaria para el funcionamiento de los bombillos, los supercondensadores puedan suministrar la energía necesaria para este funcionamiento durante el tiempo que la batería consiga tener la carga adecuada, es decir, que con la implementación de este circuito garantizamos que si la batería no tiene carga adecuada el sistema aun funcione con un tiempo muy corto de radiación solar.

56

El circuito eléctrico funciona de la siguiente manera: La energía proveniente del panel solar pasa por medio del regulador de voltaje, el cual

está

conectado

con

el

sistema

de

almacenamiento

(Batería

Y

supercondensadores), se instaló un diodo en la línea positiva que sale del regulador a los supercondensadores, para garantizar que cuando la batería no cuente con carga la energía de los supercondensadores no sirva para cargar la batería sino que sirva para que los bombillos funcionen; se conectan los bombillos directamente a los supercondensadores para poder tener el funcionamiento esperado. Con el montaje de este circuito se logró que por ejemplo a las 7 de la mañana después de que en la noche anterior se haya descargado la batería y los supercondensadores en su totalidad, tras una pequeña fracción de tiempo con radiación solar el sistema funcione, es decir, que después de 10 a 20 segundos de radiación solar los supercondensadores se cargan y logran proporcionar la energía suficiente para que los bombillos alumbren,

gracias al Diodo instalado en el

sistema esta energía no es adsorbida por la batería sino que sirve para que los bombillos funcionen mientras la batería se logra cargar.

6.3 Montaje Para la implementación del presente trabajo de investigación se decidió utilizar el bloque de mecánica, especialmente el séptimo piso; instalando el panel solar en el área de los tanques de agua (terraza) y sacando la instalación del panel al laboratorio 703, en este laboratorio se instalaron todos los componentes del trabajo de grado.

57

Durante la instalación del sistema de

panel solar fue necesario instalar una

estructura metálica, en la cual se aloja el panel solar de 60 W; esta estructura se instaló en el área de los tanques del bloque de mecánica por autorización de la administración de la universidad. La estructura del panel solar cuenta con una altura de 1,80 Mts y un Angulo de inclinación de 45 º; aclarando que la estructura cuenta con un sistema para ajustar el Angulo del panel solar de acuerdo a la disposición del sol en el día. Para la ubicación del panel solar se utilizó como base un software que se encuentra disponible en la página de SunEarthTools, en el cual se introducen las coordenadas del lugar donde se desea instalar el panel solar

y el software

calcula los grados de inclinación, orientación donde el panel solar tendrá mayor eficiencia. A continuación se muestran las gráficas generadas por el software

58

Figura 21 Instalación panel solar

Fuente: Suneaerthtools.com En la figura 21 se muestra que la inclinación adecuada para la instalación del panel solar es de 45,6 en la cual se tendrá mayor eficiencia. Adicionalmente se

59

muestra la latitud y el grado de direccionamiento adecuado para la instalación en el bloque de mecánica de la facultad de ingeniería electromecánica. Figura 22 Instalaciones del sistema

Fuente: Propia de la Investigación En la Figura 22 se observa la instalación del sistema de supercondensadores como complemento a la batería en el almacenamiento de energía solar. En la imagen,

en la parte superior está el

regulador de voltaje, que es el

encargado de distribuir la energía; saliendo dos líneas hacía las baterías, de donde se conectan los supercondensadores. También se muestra dos acrílicos, cada uno con dos bombillos de 3W y su respectivo interruptor; donde el objetivo es utilizar la energía almacenada por los supercondensadores y la batería durante el día.

60

Figura 23 Regulador de voltaje

Fuente: Propia de la Investigación En la Figura 23 se observa

el regulador de marca STECA;

así mismo se

evidencia que del panel solar entran dos líneas con su respectiva polaridad al regulador, saliendo cuatro líneas que serán distribuidas entre la batería y los bombillos. Es importante aclarar que el regulador quedo instalado en la parte superior de la pared del laboratorio 703 (cerca al techo). El regulador cuenta con un sistema de LEDS ,que sirve como indicación de funcionamiento del sistema y de carga de la batería; en la parte izquierda del regulador se encuentra un LED que indica el estado del sistema, con dos colores verde normal y rojo alguna falla. En el centro del regulador en su parte superior están situados tres indicadores de LED; el rojo es batería baja, el naranja media carga y el verde batería cargada.

61

Figura 24 Batería

Fuente: Propia de la Investigación En la Figura 24 se observa la instalación de las baterías, se colocaron en dos repisas metálicas, asegurándolas con tornillos a la pared. Adicionalmente se instaló un barraje antes de las baterías, cuyo fin es proporcional un mecanismo de protección al sistema; evidenciando la conexión de las baterías con los supercondensadores. Para la instalación del barraje se decido instalar

una protección de

seis (6)

amperio, para garantizar que en algún corto circuito el mecanismo de protección se accione y evite daños en los componentes del sistema.

62

Figura 25 Supercondensadores

Fuente: Propia de la Investigación En la Figura 25 se ve la conexión realizada con los supercondensadores, son cuatro supercondensadores verdes los cuales son de 2,7 V 500 F; Igualmente se instalaron cinco supercondensadores negros de 2,7 V 100 F. Los supercondensadores se instalaron en un acrílico negro permitiendo a los demás estudiosos de la facultad de Ingeniería Electromecánica de la Universidad Antonio Nariño visualizar las conexiones realizadas en el presente trabajo de investigación.

63

Figura 26 Banco luminoso

Fuente: Propia de la Investigación En la Figura 26 se observa uno de los dos bancos con bombillos, con el cual se aprovecha la energía almacenada por la batería en el día; estos bancos cuenta con bombillos de 3 W y su respectivo interruptor, evidenciando que la energía que permite el funcionamiento de los bombillos proviene del regulador. Figura 27 Accionamiento sistema

64

Fuente Propia de la Investigación

En la imagen 27 se evidencia el funcionamiento del sistema en su totalidad; los componentes del sistema y la luminosidad producida por los bombillos durante el aprovechamiento de la energía almacenada en las baterías y en los supercondensadores. 6.4 Pruebas prácticas En esta parte del trabajo de Investigación se mostraran los resultados de las pruebas prácticas realizadas en el almacenamiento de la energía suministrada por el panel solar, las pruebas en el momento de descarga y carga de los supercondensadores y de la batería. También se analiza el comportamiento de la batería y los supercondensadores al momento de tener una carga, describiendo su comportamiento en forma gráfica con los datos obtenidos en las pruebas, durante el funcionamiento del banco solar.

6.4.1 Descarga supercondensador Durante el desarrollo del trabajo de Investigación; fue necesario realizar varias pruebas prácticas para poder diseñar graficas que muestren el tiempo de descarga de los supercondensadores; con el fin de demostrar las cualidades adquiridas para el sistema por medio de los supercondensadores. Cabe Aclarar que el comportamiento de los supercondensadores no es el de un condensador normal, puesto que son dispositivos que almacenan grandes

65

cantidades de energía en pequeñas fracciones de tiempo

y

proporcionan

cantidades de energía en una fracción de tiempo determinada.

Tabla 5 Descarga de supercondensadores

Tiempo (m) Voltaje (V) 0 1 2 3 4 5 7 8 10 12 14 15 17 18 20 21 25 30 38 42 50 55 60

12,23 11,8 10,95 9,6 8,2 7,6 6,43 6,23 5,43 4,92 4,26 4 3,9 3,24 3,23 3,23 2,82 2 1,41 1,405 1,39 1,37 1,36

Fuente: Propia de la Investigación De la tabla número 5 se puede decir, que después diez 10 segundo de estar sometido a una carga de 12 W, estos pierden a mita de la carga almacenada y que 66

pasando este tiempo se evidencia que la perdida de carga se disminuye notoriamente. Graficas 1 Descarga Supercondensador

Fuente: Propia de la Investigación Durante el desarrollo de la investigación se realizaron pruebas del tiempo que tardaban en descargarse los supercondensadores, logrando construir la gráfica 1 con los datos resultantes de las pruebas. En las pruebas realizadas se utilizaron 4 bombillos de 3 W para aprovechar la energía almacenada en los supercondensadores, logrando un tiempo máximo de funcionamiento de los bombillos de 20 minutos, es decir, la carga almacenada por los supercondensadores alcanza para 20 minutos de funcionamiento de los 4 bombillos del proyecto.

67

De la gráfica uno se puede decir, que el comportamiento de estos dispositivos al momento de la descarga pasados los cuarenta segundo se trata de nivelar hasta llegar a los sesenta segundo donde ya no se cuenta con energía necesaria para el funcionamiento del sistema 6.4.2 Carga supercondensador

Al realizar las pruebas de carga de los Supercondensadores se evidencio que los dispositivos en cortas fracciones de tiempo logran alcanzar su carga total; lo cual es muy interesante para el

aprovechamiento de

presentes durante un día en Bogotá. Tabla 6 Carga Supercondensadores 1 Tiempo (s) 1 2 3 4 6 8 10

Voltaje (V) 1,2 1,8 2,3 2,6 3,4 4 4,6

15

6

23

7,5

28 32 36 39 42 45 50 54 60 62 66 70 71 74

8,1 8,9 9,2 9,4 9,7 10,2 10,8 11,4 11,8 12,1 12,2 12,23 12,24 12,26

68

los destellos de luz solar

80

12,3

Fuente: Propia de la Investigación En la tabla número 6 observamos los resultados de las pruebas realizadas en un día a las diez (10) de la mañana, con una temperatura promedio de 18 grados centígrados. Podemos notar que los supercondensadores alcanzan su capacidad de almacenamiento en un corto tramo de tiempo. Por esta razón se evidencia que los supercondensadores pueden proporcionar cargas elevadas en cualquier instante de tiempo. Para la obtención de los datos fue necesario dejar los supercondensadores conectados al panel solar en paralelo determinado tiempo; al momento de tomar la medición de la carga en los supercondensadores, se desconectaban del panel solar; puesto que si era tomado cuando estaban conectados con el panel el medir el voltaje generado seria errónea. Graficas 2 Carga Supercondensador 1

69

Fuente: Propia de la Investigación Al terminar las pruebas realizadas en el presente trabajo de investigación confirmamos que los supercondensadores son dispositivos que en tramos cortos de tiempo alcanzan su capacidad de almacenamiento; se realizaron numerosas pruebas para lograr construir las gráficas de carga de los supercondensadores. Prueba 2 de Carga de los Supercondensadores Para

poder

demostrar

las

cualidades

descritas

anteriormente

de

los

supercondensadores, se realizó la prueba de carga en condiciones diferentes a la prueba anterior. Tabla 7 Carga Supercondensadores 2 Tiempo (s) 0 1 2 3 4 6 8 10 15 23 28 32 36 39 42 45 50 54 60 62 66 70 71 74 80 82 84

Voltaje (V) 1 1,2 1,8 2,2 2,8 3,7 4,3 4,8 5,8 6,9 7,5 8,3 8,7 9,1 9,4 9,8 10,2 10,5 10,8 11,1 11,3 11,6 11,9 12,1 12,3 12,4 12,6

70

86 90

12,7 12,8

Fuente: Propia de la Investigación En la tabla número 7 se evidencia los resultados de las pruebas realizadas en un día a las 14 horas. Observando que los supercondensadores alcanzan su capacidad de almacenamiento en un corto tramo de tiempo; en relación con la otra prueba realizada en horas de

la mañana se evidencia que en la tarde los

supercondensadores tardan 10 segundos más que en la mañana para alcanzar su capacidad de almacenamiento máximo. Graficas 3 Carga Supercondensador 2

Fuente: Propia de la Investigación En la gráfica 3 se puede decir; que las primeras mediciones realizadas a los supercondensadores, muestran que en los primeros

veinte (20) segundos la

lectura del voltaje tiene un comportamiento ascendente; después de los sesenta (70) segundos las mediciones reflejan una nivelación de carga continua. 71

En el proceso de carga de los supercondensadores se puede analizar que independientemente de la hora del día donde se realice el proceso, los supercondensadores mantienen un comportamiento regular; dichos dispositivos demuestran que su cualidades en el proceso de almacenamiento es la reducción de tiempo, a diferencia de otros dispositivos utilizados para el almacenamiento de energía. 6.4.3 Descarga Batería Para determinar el tiempo que tardan las baterías en descargase, fue necesario realizar pruebas prácticas, logrando diseñar graficas que demuestren el tiempo de descarga del batería; con el fin de poder demostrar la eficiencia del sistema. Tabla 8 Descarga de la baterías Tiempo Voltaje (h) (V) 0.5 12 0.5 11,1 1 9,7 2 8,4 3 7,3 4 6,6 5 6,08 6 5,23 7 4,8 8 4,1 9 3,5 10 3,1 11 2,7 12 2,4 12,5 2,1 13 1,88 13,5 1,6 14 1,6

Fuente: Propia de la Investigación

72

En la tabla número 8 se puede decir, que los datos resultantes de las pruebas realizadas a las baterías, se hayo que las baterías descargan en 12 horas con un consumo de 12 W. Durante las pruebas se notó que para los dos bancos de bombillos montados en el presente proyecto, la carga de la batería los abastece 14 horas continuamente, cabe anotar que si variamos el consumo variaremos el tiempo de duración de la carga de la batería. Graficas 4 Descarga Batería

Fuente: Propia de la Investigación

En la gráfica número 4

se puede evidenciar los resultados obtenidos en las

pruebas en el banco solar; teniendo más o menos una caída de 1 v por hora con la carga de los 4 bombillos de 3W cada uno; de esta grafica podemos deducir que con estas baterías podemos suministrar energía para una habitación normal 73

durante catorce horas continuas, lo cual es algo muy prometedor para un futuro energético, dado los grandes beneficios con el aprovechamiento de la energía solar. 6.4.4 Carga Batería Al realizar las pruebas de carga de las baterías se evidencia que estos componentes requieren un tiempo significativo para cargarse, adicionalmente se puede ver que en el momento de cargar la batería dependemos de dos factores: la capacidad de la batería y la radiación solar; esta última es la que nos dictamina la cantidad de energía entregada a la batería en cada instante en su proceso de carga. Tabla 9 Carga Batería Tiempo (h) Voltaje (V) 0 0 0.5 1,9 1 4,1 1,5 5,8 2 7,2 3 8,4 3,5 9,9 4 10,7 4,5 11,2 4,6 12 5 12,22 6 12,28 Fuente: Propia de la Investigación En la tabla número 9 se plasman los datos adquiridos al realizar la prueba para determinar el tiempo de carga de las baterías, notando que para un abastecimiento de energías proveniente de la radiación solar en Bogotá, durante un día cotidiano en horas de la mañana, las baterías se cargaría en seis (6 1/2) horas y media aproximadamente.

74

Graficas 5 Carga Batería

Fuente: Propia de la Investigación En la gráfica número 5 Se evidencia la batería en condiciones normales tendrá un tiempo de carga de 6 horas y media; aclarando que la fuente que suministra la energía para este proceso es el panel solar, que por factores climáticos no tiene un estándar de energía suministrada por hora sino un promedio, de 2,4 voltios aproximadamente cada hora; este factor puede ser muy importante para la vida útil de la batería puesto que esta ser carga en menor tiempo suministrando cargas elevadas pero al mismo tiempo acortando la vida útil de la batería.

6.4.5 Carga banco solar

75

En este paso de la investigación se realizaron las pruebas de carga al sistema (supercondensadores y batería), para así poder justificar la implementación de los supercondensadores en el sistema. Tabla 10 Carga Sistema Tiempo (h) 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,45 4 4,5 5

Voltaje (V) 1,8 4,2 6,2 8,1 9,8 11,1 11,9 12,12 12,2 12,27

5,5

12,27

Fuente: Propia de la Investigación En la tabla número 10 se observa que al usar los supercondensadores como complemento de la batería, en momentos de la carga no varía el tiempo en el sistema significativamente, se evidencia que el sistema adquiere otros beneficios, tales que con el uso de este componente se puede tener un dispositivo que almacena los picos de energía presentes en determinados instantes del proceso.

76

Graficas 6 Carga Sistema

Fuente: Propia de la Investigación En la grafica 6 se pudo construir a partir de los datos de la tabla número 10, que son los datos adquiridos en las pruebas realizadas en el banco solar. Se puede notar que el sistema se carga en 6 Horas su carga total, aclarando que en un día soleado se puede reducir el tiempo de carga en media hora o más aproximadamente. Durante el funcionamiento del sistema se evidencio que el sistema suministrar energía a una carga, los supercondensadores manejan un voltaje menor al de la batería; lo anterior a razón que los supercondensadores cuentan con un umbral, para que en un pico de energía esta, sea almacenada por ellos.

77

Este

comportamiento es porque los supercondensadores son el dispositivo del sistema que más fácil se cargan y entregan energía

7. GUIA ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR EN SUPERCONDENSADORES

NOMBRE CODIGO OBJETIVO Construir un gráfico

y analizar los datos voltaje-tiempo con la energía

suministrada por un panel solar de 60 W y almacenada por el banco de supercondensadores. MATERIALES Para la elaboración de la guía es importante que el estudiante cuente con los siguientes componentes:     

Panel Solar 60 W Banco Supercondensadores Un Multímetro Cronometro Papel Milimetrado

78

PROCEDIMIENTO 1. Desconecte

los

supercondensadores

de

la

batería

y

conéctelos

directamente al panel solar a través de un interruptor. 2. Verifique que los supercondensadores estén descargados; si no lo están descargarlos a través de una resistencia de alta disipación. 3. Cierre el interruptor e inicie el cronometraje 4. Tome datos del voltaje cada minuto en un intervalo de 25 minutos. 5. Elabore un gráfico en papel milimetrado de voltaje en función del tiempo; utilizando Excel, halle la ecuación que presente el mejor ajuste de los datos. 6. Según el grafico obtenido describa como fue la radiación solar durante el tiempo de carga de los supercondensadores CONCLUSIONES

79

8. CONCLUSIÓN

Con la instalación de los supercondensadores como complemento de la batería se logra un mayor almacenamiento de energía

y se evidencia que se mejora la

captación y suministro de energía del sistema. En la elaboración del circuito se deben instalar los supercondensadores en serie para lograr nivelar el voltaje manejado por la batería; adicionalmente la conexión del banco de supercondensadores se hace en paralelo con la batería. Durante las pruebas realizadas en la carga, descarga de la batería y supercondensadores, la obtención de datos voltaje-tiempo se debe conectar los supercondensadores a la fuente por fracciones de tiempo desconectarlos

de

la

fuente

tomando

la

lectura

del

y después

voltaje

en

los

supercondensadores, lo anterior para poder construir las grafica de carga de los supercondensadores sin la necesidad de utilizar una resistencia, puesto que no era

necesario

ya

que

los

supercondensadores

son

componentes

de

almacenamiento de gran cantidad energía. Se evidenció durante las pruebas realizadas que al momento de adminístrale una carga a los supercondensadores y la batería, se media en voltaje que manejaban los dos a la hora de la descarga. El voltaje de los supercondensadores era inferior al de la batería, lo anterior se debe a que los supercondensadores por ser un mecanismo que suministra carga en cortos tramos de tiempo siempre dejan un umbral de energía para que al momento de que el sistema tenga un pico de energía se almacena en los supercondensadores; y en el momento de suministrar

80

energía el sistema opta por el dispositivo que suministre la energía más fácilmente. 9. RECOMENDACIONES

Para un mejor aprovechamiento de la energía generada por el panel se recomienda instalar un supercondensador más, de las mismas características de los anteriores en serie, logrando así subir el voltaje a 16.1 voltios, logrando de esta manera que el umbral de carga-descarga de los supercondensadores sea mayor.

81

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