Proyecto de grado Supercondensadores principios y diseño ...
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Freddy Norberto Montañez Gordillo UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 08 Diciembre de 2015, Bogotá D.C., Colombia PROYECTO DE GRADO SUPERCONDENSADORES PRINCIPIOS Y DISEÑO DE BANCO DE PRUEBAS Asesor: Profesora Alba Ávila Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Transcript of Proyecto de grado Supercondensadores principios y diseño ...
Freddy Norberto Montañez Gordillo
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
08 Diciembre de 2015, Bogotá D.C., Colombia
PROYECTO DE GRADO SUPERCONDENSADORES PRINCIPIOS Y DISEÑO DE
BANCO DE PRUEBAS
Asesor: Profesora Alba Ávila
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
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Contenido
1 Resumen ejecutivo ............................................................................................ 2
1.1 Identificación del Proyecto ........................................................................... 2
1.2 Objetivos generales ..................................................................................... 2
1.3 Objetivos específicos ................................................................................... 2
2 Metodología ...................................................................................................... 2
3 Motivación ........................................................................................................ 3
4 Caracterización eléctrica ..................................................................................... 6
5 Caracterización física ........................................................................................ 17
6 Diseño del banco de pruebas ............................................................................. 28
7 Montaje del proyecto ........................................................................................ 33
8 Conclusiones .................................................................................................... 41
9 Trabajo futuro .................................................................................................. 42
10 Agradecimientos ........................................................................................... 42
11 Bibliografía ................................................................................................... 43
12 Índice de Figuras .......................................................................................... 45
Tabla de anexos ..................................................................................................... 47
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1 Resumen ejecutivo
1.1 Identificación del Proyecto
Nombre del proyecto de grado: Supercondensadores principios y diseño de banco de
pruebas
Nombre del desarrollador: Freddy Norberto Montañez Gordillo
Nombre del asesor: Alba Ávila
1.2 Objetivos generales
Desarrollar pruebas para identificación de materiales y operación de supercondensadores.
1.3 Objetivos específicos
Realizar la ingeniería inversa de los supercondensadores para determinar
características de manufactura: procesos, materiales.
Caracterizar las propiedades de los materiales que permiten amplios
almacenamientos de energia, así como sus electrodos y su unión entre sí.
Diseñar e implementar un banco de pruebas de un condensador y un arreglo
donde se caracteriza: tiempos de carga y descarga, eficiencia, pérdidas, máximos
y mínimos de almacenamiento, densidad de potencia y aumento de la vida útil.
Documentar pruebas.
2 Metodología
La metodología usada en el presente proyecto fue multitarea. Es decir que se trabajaron
los diferentes objetivos desde diversos ángulos, empezando por investigativos, diseño y
montaje y desmontaje de las partes del mismo. Este método fue realmente útil ya que se
avanzó simultáneamente en todo el proceso cumpliendo a cabalidad todos sus objetivos
en tiempos estimados.
A continuación se muestra la metodología de los pasos planeados en el inicio del proyecto.
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Figura 1. Metodología del proyecto
Como podemos ver en la Figura 1, la metodología al principio del proyecto se concentró
en una verificación exhaustiva de literatura durante sus inicios y de trabajar
simultáneamente en la ingeniería inversa y en la caracterización y diseño del banco de
pruebas durante todo el proceso. Esto permitió culminar satisfactoriamente el proyecto
como se describió anteriormente.
3 Motivación
La escogencia del proyecto se motivó en las ventajas que ofrecen los supercondensadores
y sus potenciales usos como medios energéticos alternativos iguales o más eficientes que
las baterías por sus propiedades de carga y descarga [1]. En los últimos 10 años se han
realizado descubrimiento de nuevos materiales que permiten aumentar considerablemente
la carga de este tipo de dispositivos llevándolos desde los tradicionales micro-faradios
hasta los miles de faradios. Los supercondensadores al usar este tipo de materiales
también aumentan sus propiedades; La densidad de energía se refiere a la cantidad de
energía que se puede almacenar en los dispositivos energéticos por unidad de masa. En
este caso aumenta desde los mili vatios por kilogramo hasta los vatios por kilogramo, un
aumento notable que genera expectativa en sus próximas generaciones, pues los
condensadores tradicionales no habían evolucionado considerablemente desde su
descubrimiento en el siglo XIX. Pero lo que en realidad hace especiales a estos dispositivos
es su densidad de potencia, la cual es la capacidad de almacenar y distribuir la energía
almacenada. Como sus antecesores, el supercondensador tiene una densidad de potencia
de kilovatios por kilogramo, lo cual supera por más de una escala a los dispositivos de
almacenamiento usuales, como lo son las baterías que apenas tienen decenas de vatios
por kilogramo. Esto permite al supercondensador cargarse mucho más rápida que
cualquier tipo de batería. Todo esto se resume en el siguiente grafico de Ragone en la
Figura 2 [2] donde los supercondensadores son capaces de cargarse hasta en 3.6s
mientras que la batería más rápida se carga en una hora.
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Figura 2. Ragone chart con dispositivos de almacenamiento y combustión. [2]
En la esquina superior izquierda se encuentran las baterías de plomo-acido, níquel-cadmio
y litio-ion. Estas tienen en común su densidad de energía la cual es relativamente alta si
se compara con los dispositivos presentes en la figura. También coinciden con los tiempos
de carga y descarga. A pesar de esto difieren en sus densidades de potencia, pues allí la
batería de litio-ion es la que más posee, llegando a tener hasta 800W/Kg. Allí también
podemos observar las baterías de celdas combustibles que permiten crear energía con
agua y químicos, estas poseen la mayor densidad de energía pero su densidad de potencia
es pésima con apenas 80Wh/Kg. En la esquina inferior derecha se encuentran los
condensadores tradicionales de microfaradios, los cuales poseen una gran densidad de
potencia llegando hasta los 8KW/Kg pero una baja densidad de energía que se ubica en
decenas de mili vatios por kilogramo. La ubicación ideal de un dispositivo almacenador de
energía es en la parte superior derecha donde son máximos tanto la densidad de potencia
como la densidad de energía. El dispositivo existente más cerca de este punto es el
supercondensador del cual hablamos anteriormente.
Después de verificar diferentes referencias y buscar un balance entre confiabilidad de
marca, capacidad y economía, se decidió enfocar este proyecto en un supercondensador
con capacidad de 3000 faradios, diseñado y ensamblado por la conocida empresa
estadounidense Maxwell Technologies. Este supercondensador cuenta con las
características precisas para desarrollar el proyecto propuesto (Ver Figura 1). Estas
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características son: un voltaje o diferencia de potencial con un valor de 2.7 Voltios
comparada con el 1.2 Voltios permitidos de los supercondensadores convencionales, la
densidad de potencia es de 5900 W/Kg y densidad de energía de 6W/Kg [3]. En la Figura
4 se presenta un resumen de la tabla técnica del supercondensador escogido. Allí podemos
verificar su capacidad de 3000 F y los datos mencionados anteriormente. La ubicación en
el diagrama de Ragone se encuentra resaltada con la estrella roja al costado derecho de
la Figura 2.
Figura 3. Supercondensador Maxwell a desmontar.
Se puede observar que este condensador excede el rango predicho por el diagrama de
Ragone, lo cual lo acerca aún más hacia el punto ideal descrito en el texto anteriormente.
Después de verificar literatura sobre supercondensadores y decidir cuál comprar para
realizar las pruebas se decidió empezar la caracterización física y eléctrica del condensador.
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Figura 4. Tabla de características tecnicas del supercondensador Maxwell escogido [3]
4 Caracterización eléctrica
Cuando se tuvieron los condensadores se empezaron a diseñar las pruebas eléctricas para
caracterizar y corroborar la hoja de datos antes mencionada. Lo primero que se hizo fue
calcular un tiempo de carga con la ecuación de carga de un condensador.
Tiempo de carga del condensador = 5τ
τ =RC=3000F*R
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Si se tomaba una resistencia pequeña de 1Ω el tiempo de carga de un supercondensador
se incrementaba considerablemente llegando hasta las 4 horas aproximadamente. Lo cual
no es factible si se requiere que el proyecto sea igual o más eficiente que una batería
convencional. El tiempo se debe disminuir hasta llegar a cargarse en menos de una hora
que es el menor tiempo en que se carga una batería moderna. Teniendo en cuenta esto,
se puso el condensador en corto directamente a la fuente de voltaje para que la fuente
entregase su máxima corriente al condensador. Las fuentes de la universidad entregan de
un máximo de 2 y 3 amperios. Para comprobar su comportamiento se simularon los
circuitos propuestos en la herramienta de software OrCAD de la empresa Cadense Design
Systems. Los parámetros de simulación fueron en escalas de tiempo de alrededor de 3600
segundos o más de acuerdo al circuito y con pasos de 10ms. Al simular esto, es evidente
que a medida que el condensador se carga, la corriente disminuye rápidamente, lo que
genera una carga más lenta a medida que pasa el tiempo como se puede evidenciar en la
Figura 5. Voltaje del condensador en lila, Corriente de carga en cian.
También se observa que el tiempo de carga es realmente lenta con más de 15 mil segundos
de carga lo que descarta la posibilidad de eficiencia. Para corregir esto surgieron 3 ideas
fundamentales con el fin de cargar rápidamente dicho condensador. La primera de ellas
es inducir una corriente lo suficientemente alta para cargar el condensador rápidamente
[4], la segunda de ellas es diseñar una fuente de corriente continua que permita al
condensador cargarse linealmente [5] [6] y por ultimo cargar el condensador con pulsos
de energía [4].
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Diseñar el dispositivo de carga surgió como una necesidad ya que sin él, el proyecto no
sería viable a pesar de no estar incluido en el diagrama de flujo, ni en la propuesta
presentada anteriormente.
La primera propuesta fue sobre pulsos de alta energía, esta consistía en introducir grandes
cantidades de energía en lapsos de tiempo tan pequeños que no afecten las propiedades
del dispositivo. Este tiempo viene dado por el área bajo la curva del pulso, pues la suma
de ellas no debería sobrepasar la cantidad de energía que el condensador pudiese
almacenar. En la Figura 6 podemos ver más claramente este concepto.
Figura 6. Carga teórica del condensador con pulsos de voltaje. Pulsos de voltaje de color negro y voltaje del condensador de color rojo.
En este caso los pulsos son los denotados de color negro, y la carga del condensador es
la línea roja. Con cada pulso se aumenta la carga del condensador. Su potencial y el tiempo
de duración dependen de cuantos pulsos necesita para cargarse. Este sistema lo usan
algunas baterías descargadas en su totalidad para recuperar sus características de
almacenaje, cuando se dice que están sulfatadas. En teoría el área bajo la curva del
condensador es mayor a la de la suma de los pulsos lo que evitaría que el condensador se
dañase. En todo caso, después de un asesoramiento de diferentes partes (profesores y
expertos en el tema) y que no hay la suficiente documentación sobre esto, se optó por
desechar este sistema. Esto debido a que la mayoría de partes coincidieron en que
introducirle un mayor voltaje a un condensador con un límite de potencial fijo, quebraría
la propiedad del dieléctrico dañándolo y dejándolo inservible, sin importar el tiempo que
demore el pulso [6] [4] [6]. Esto tiene sentido ya que las propiedades del electrolito tienen
un límite de potencial que para este caso es de 2.85 Voltios a lo sumo, si se pasa este
límite las moléculas que permiten obtener la barrera se rompen y se ioniza el sistema
generando un circuito cerrado o la explosión del condensador.
La segunda idea es generar un solo pulso de corriente lo suficientemente grande para
cargar el supercondensador rápidamente. Esta idea es bastante factible pues si se logra
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una corriente lo suficientemente alta, el condensador podría cargarse en minutos, e incluso
segundos. Como vimos en la Figura 4, el condensador soporta una corriente de hasta 1900
amperios, la cual cargaría el condensador en un poco más de 3.5 segundos, según lo
especifica el diagrama de Ragone en la Figura 2. La complicación de este sistema es el
costo económico que genera producir una fuente que brinde tales valores, pues se
necesitan dispositivos de alta potencia que son realmente costosos. Además de esto habría
que diseñar un sistema de protección de la misma fuente para no producir accidentes
(recordemos que el cuerpo humano apenas soporta un rango entre 15 y 80 miliamperios
en corriente continua sin consecuencias graves). Por estos motivos se tomó la decisión de
descartar esta opción.
La última opción es realizar una fuente de corriente continua que alimente el condensador
con un amperaje constante, con el fin de acelerar la carga para que esta se comporte
linealmente. Al ahondar un poco en el tema, se encontraron encapsulados que realizaban
este proceso especialmente diseñados para supercondensadores [7]. Sin embargo, los
diseños son específicamente para supercondensadores de bajas capacidades por lo cual
sus máximas corrientes no sobrepasan los 5 amperios, además de esto eran diseñados
especialmente para los capacitores de sus mismas marcas, irónicamente Maxwell
technologies no posee este tipo de encapsulados. Basándose en este encapsulado se tomó
la hoja de funcionamiento que mostraba una gráfica como la de la
Figura 7 la cual mantenía una corriente continua hasta que el voltaje del condensador
estuviese lo suficientemente cerca al nominal del mismo, para después descender dicha
corriente de manera exponencial y no desperdiciar energía. Para lograr un desempeño
similar, se probaron diversos circuitos los cuales fracasaron en su acometida, hasta que
uno de ellos mostro un resultado similar. Este circuito mostrado en la Figura 8 consiste en
comparar el voltaje de carga del condensador con un voltaje de referencia que en este
caso es 240mV. Esto sirve para que el amplificador operacional permita el paso de la
corriente constante a través de un transistor NMOS. Una vez el comparador detecta un
voltaje igual o superior al de referencia este genera una señal que disminuye el paso de
corriente a medida que el voltaje del condensador sigue aumentando [8]. La magnitud de
la corriente viene dada por una resistencia puesta en el source del transistor y el voltaje
de referencia. Este voltaje y esta resistencia son los que hacen de la corriente una
constante. Al activarse el MOSFET, este entra en la región óhmica generando así también
una resistencia al paso de la corriente, la cual disminuye poco a poco hasta llegar a cero
cuando el condensador está plenamente cargado. Este proceso se puede observar en la
Figura 9.
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Figura 7. Corriente funcionamiento ideal de una fuente de corriente para cargar un supercondensador maxwell.
Figura 8. Fuente de corriente continua [8].
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Figura 9. Grafica resultante de la simulación de la Fuente de corriente continua.
Como se dijo anteriormente, observamos el proceso de la fuente y la carga del
condensador en la Figura 9. En violeta observamos la corriente que es constante hasta
que el voltaje en azul llega linealmente hasta el voltaje nominal menos la referencia. Allí
el amperaje empieza a descender rápidamente hasta que el condensador finalmente se
carga.
Ya teniendo la fuente de carga del condensador se hace necesaria una fuente de
alimentación que suministre el amperaje suficiente para cargar no solo uno de los
supercondensadores anteriormente mencionados, sino todo el sistema de
supercondensadores que se planea diseñar. Existen dos opciones para desarrollar esta
fuente, la primera de ellas es buscar una fuente ya diseñada que entregue gran capacidad
en amperaje y la segunda es diseñar una propia que maneje estos amperajes que se
quieren. La primera opción es la más económica por lo cual se buscan fuentes que cumplan
las características requeridas. Investigando un poco se llegó a la conclusión que las fuentes
de poder (Figura 10) de los computadores de escritorios cumplen con dichas características
por lo cual se opta por usarlas.
Figura 10. Fuentes de poder de computadores de escritorio.
Estas fuentes llegan a suministrar corrientes de hasta 40 Amperios en voltajes pequeños,
lo cual es una gran ventaja para nuestro modelo. Además de la gran cantidad de amperaje
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que suministran también distribuyen diferentes voltajes que son necesarios para la
alimentación de los circuitos.
Para el caso de la carga de un solo supercondensador y conociendo que no pueden
soportar diferencias de potencial superiores a 2.85V como se dijo anteriormente, se debe
ajustar el voltaje sin generar una pérdida en corriente para alimentar la fuente de corriente
antes vista. Para esto se realizó de nuevo una investigación y se encontró que las fuentes
DC-DC realizan este tipo de trabajos ya que los divisores de voltaje disipan dicha corriente
generando pérdidas [6].
En este caso después de comprobar diferentes circuitos que no funcionaron, se encontró
uno el cual cumplía con lo planeado. Su esquema se puede ver en la Figura 11. Este diseño
consta de un circuito regulador LM317 que controla el voltaje y de 6 transistores 2N3055
que permiten el paso de las altas corrientes. Estos transistores son activados por el
regulador del integrado mencionado también arrojando un voltaje exacto de 2.7 Voltios
con el amperaje que solicite la fuente de corriente.
Figura 11. Modelo del conversor DC-DC tomando cualquier voltaje y convirtiéndolo en 2.7V necesarios para un solo supercondensador.
De esta manera la gráfica generada por el circuito es la de la Figura 12 donde el voltaje
es 2.7 Voltios, el cual es el voltaje nominal para la carga del supercondensador.
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Figura 12. Grafica de salida del voltaje del modelo del conversor DC-DC. En cian se encuentra el voltaje de salida.
Complementando las dos graficas (Figura 13) se obtiene que el conversor DC-DC junto
con la fuente de corriente continua arrojan una simulación de carga precisa para el
supercondensador. Este se carga en aproximadamente 33 minutos como se puede ver en
la figura 14, con una corriente inducida de 6 Amperios.
Figura 13. Diseño completo del cargador para un condensador. Fuente de corriente conectada a la salida del conversor DC-DC.
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Figura 14. Resultados simulados del diseño completo del cargador para un condensador. En negro se observa la corriente controlada, en azul cian se observa el voltaje regulado del conversor DC-DC y en morado se ve la carga del supercondensador.
Se implementaron dichos circuitos para probar la validez de las simulaciones y comparar
los resultados. Las cifras obtenidas arrojaron que para cargar un solo condensador tardo
en cargar a su voltaje nominal un poco más de los 45 minutos un número mayor y no muy
diferente al que toma una batería normal en cargarse, como se aprecia en el diagrama de
Ragone en la Figura 2. En la Figura 15 podemos observar una fuente de poder modificada
para obtener los valores necesarios que necesita el modelo del cargador pera un solo
capacitor.
Figura 15. Fuente de poder de 750 Watts modificada para alimentar las fuentes diseñadas.
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A pesar de que las especificaciones cumplían teóricamente, la fuente no arroja dichas
corrientes puesto que al intentar extraer corrientes mayores a 10 amperios , la fuente
colapso, causando daño en su sistema.
El la Figura 16 se observa el circuito regulador de alta potencia, cada transistor permite el
paso de hasta 15 amperios, se colocaron 6 por seguridad. Su diseño se montó en
protoboard sin ningún tipo de disipación ya que eran pruebas para ajustar el prototipo a
las exigencias del proyecto.
Figura 16. Regulador DC-DC de alta potencia. En la protoboard izquierda el circuito regulador, en la derecha el circuito de potencia.
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Figura 17. Fuente de corriente continua para carga de supercondensador.
En la Figura 17 se puede apreciar el montaje de la fuente de corriente, la cual controla el
amperaje manteniéndolo constante para la carga del dispositivo. Se pusieron 4 resistencias
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de 0.15 ohmios las cuales hacían pasar por el condensador 5.33 Amperios al conectarse.
a pesar que el circuito total funcionó, una sobrecarga producida por el límite de la
capacidad de corriente de la protoboard dañó la fuente de poder modificada, por lo cual
se tuvieron que retomar decisiones con respecto a la alimentación y a la corriente
suministrada al supercondensador para una carga eficiente y rápida.
Retomando el interrogante de como alimentar nuestro circuito, se buscó una fuente
certificada y confiable que pudiese alimentar tanto el circuito para cargar un súper
condensador como para el banco en su totalidad. Se decidió desistir de las fuentes de
poder por su poca confiabilidad, además de que sus bajos voltajes no podrían alimentar el
banco de supercondensadores exigiendo así la compra de 3 fuentes más para alcanzar
dichos valores según el diseño.
La empresa taiwanesa MeanWell posee una gran cantidad de fuentes de este tipo, además
de que son bastante asequibles en el país y no son costosas. La versión SP-320-12 posee
las características necesarias buscadas para el proyecto por lo cual se decidió trabajar con
una de ellas (Figura 18). Esta fuente es de 300 W, tiene un rango de salida desde 10V
hasta 13.5V, su corriente de salida llega hasta los 25 amperios lo cual no da pie para
modificar el circuito y exigir un amperaje más alto en la fuente de corriente. Aumentando
la corriente, puede reducir aún más el tiempo de carga. Esta corriente se determina
cambiando las resistencias de la fuente de corriente diseñada. Para realizar aún más
atractiva el diseño del cargador y el banco de pruebas, se decidió buscar el menor valor
comercial de resistencias de carga y realizar unos cálculos para determinar una corriente
de carga mucho mayor que pueda cargar el condensador en mucho menos tiempo.
Figura 18. Fuente de alimentación marca maxwell. Versión SP-320-12
Para entender este concepto volvemos a la Figura 8 donde hay una resistencia en el
circuito. Se sabe por ley de ohm que la corriente es el resultado del voltaje sobre la
resistencia. Por las propiedades de los amplificadores operacionales, V+=V- por lo cual el
voltaje que tiene la resistencia es el mismo de referencia. Entonces se busca una
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resistencia para llegar a la corriente requerida que en este caso son 24 Amperios que son
suministrados por la fuente de corriente, un amperio menos que su límite por seguridad.
Esta resistencia es de 8.3mΩ que es posible de conseguir con 12 resistencias de potencia
de 0.1Ω cada una, en configuración paralelo, lo que nos da lo que se quiere (Figura 19).
Figura 19. Resultados simulados del diseño completo del cargador para un condensador con altas corrientes. En Verde oscuro de observa la corriente controlada de 24 Amperios, en rojo se observa el voltaje regulado del conversor DC-DC a 2.7V y en morado se ve la carga del supercondensador.
En esta configuración la simulación arroja que el condensador se carga completamente en
800 segundos lo que equivale a 12 minutos aproximadamente. Sin embargo estos
supercondensadores no necesitan estar cargados 100% para funcionar correctamente, es
más, el datasheet recomienda usarlos por debajo del voltaje nominal para incrementar su
vida útil. Teniendo en cuenta esto, a los 600 segundos el condensador alcanza un 94% de
carga aproximadamente por lo cual se puede decir que se carga en apenas 10 minutos.
5 Caracterización física
Después de obtener el permiso para entrar en sala limpia se decidió avanzar en el
desmontaje de uno de los supercondensadores (Figura 1).
Primero se tomaron las medidas exteriores para compararlas con la hoja de datos del
condensador y proseguir con el desmontaje.
De largo tenia 130 mm + 8mm de sus terminales para un total de 138 mm los cuales
concuerdan con lo que se dice en la hoja de datos. El diametro midio 60mm que tambien
coincidian con las especificaciones [3].
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Figura 20. Medición exterior del supercondensador.
Luego se leyeron las hojas de seguridad de los materiales descritos en la hoja de datos
del condensador. Estos materiales son los siguientes [9]:
• Carbón Activado
• tetraethylammonium tetrafluoroborate
• Acetonitrilo
Esto nos quiere decir que el carbón activado es un sólido combustible, es decir que puede
incendiarse con facilidad. El tetraethylammonium tetrafluoroborate o TTT desde ahora, es
irritante para la piel. Y el acetonitrilo es toxico, irritante y puede incendiarse facilmente.
Sabiendo esto, se tomaron medidas de seguridad y precaución para el manejo de los
mismos en la sala. En este caso se usaron guantes de nitrilo, delantal, gafas de seguridad,
y mascara para gases además de tapabocas. Con estas medidas se produjo a desmontar
el supercondensador.
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Figura 21. Supercondensador desmontado y almacenado.
Al tenerlo en desmontado se observó que el sistema interior es de un tipo “double layer”
y se comparan en funcionamiento a los condensadores electrolíticos [10].
Figura 22. Modelo de condensador electrolítico, similar al supercondensador.
Esto quiere decir que es un condensador de placas paralelas, las cuales están separadas
por un dieléctrico saturado con un electrolito. Las placas conductoras en este caso son de
carbón activado y el dieléctrico es el TTT saturado con el electrolito acetonitrilo. Cuando
el condensador se carga los electrones quedan almacenados en el dieléctrico por el
electrodo negativo generando huecos o cargas positivas en la otra placa y así formando
una diferencia de potencial entre las dos placas, que es el voltaje que crece durante la
carga como vimos en las figuras anteriores. Cuando se pone un sistema de descarga este
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se empieza a descargar dejando fluir los electrones almacenados. La capacidad del
condensador se debe específicamente a la cantidad de área de cada capa, es decir que el
largo de cada una es realmente influyente en su capacidad. También influye la textura de
los electrodos, entre más porosos son capaces de almacenar más cargas.
En el caso del condensador se determinó que su largo fue de 3 metros y su ancho de 11
cm, lo cuan los da un área de 0.48m2. Después de realizar una exhaustiva búsqueda, no
fue posible encontrar la permitividad del TTT en acetonitrilo, por lo cual se despeja de la
formula 8'077.705141'179.120
0 A
Cd
d
AC k
k
F/m. Como podemos observar la
permitividad del dieléctrico es realmente alta, lo cual permite en un voltaje muy bajo,
almacenar mucha más energía que otros dispositivos. Lo cual concuerda con todo lo dicho
previamente, sobre sus capacidades.
El fenómeno que sucede dentro del supercondensador es que al aplicar una diferencia de
potencial, el dispositivo polariza el dieléctrico, permitiendo cargas eléctricamente negativas
ir hacia el extremo positivo y alojarse entre los poros del carbón activado, así como también
las positivas al otro extremo. Esta energía es netamente electrostática, por la cual tiene
consecuencias muy leves sobre sus materiales y permite cargar y descargar el dispositivo
millones de veces sin reducir drásticamente su rendimiento.
Al igual que un condensador electrolítico, su ciencia consiste en tener la mayor área de
superficie en los electrodos, por esto viene enrollado fuertemente sobre un eje, de ahí su
forma cilíndrica. También influye la textura de sus electrodos (Figura 23), pues pequeños
poros afectan el área superficial aumentándola aún más de lo que se puede caracterizar
ópticamente. Este supercondensador posee electrodos en carbón activado bastante
porosos. Las especificaciones del mismo aseguran un área superior a los 2000m2 por
gramo, es decir que el cálculo de la constante dieléctrica especificado anteriormente no es
válido puesto que el área se ve realmente afecta por la morfología de los electrodos. Del
capacitor desmontado se tomaron unas muestras aleatorias de sus electrodos y de su
dieléctrico para poder realizar la caracterización microscópica. La separación medida en la
caracterización microscópica es de 15um aproximadamente, como se puede apreciar en la
Figura 33 cuando se analicé el condensador de placas paralelas en el microscopio
electrónico. Esta medición contradice la especificación del supercondensador puesto que
allí aseguran que esta separación es menor a 10 Armstrong.
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Figura 23. Carbón Activado del electrodo. Vista desde un microscopio óptico.
En la Figura 23 se puede observar una vista con microscopio óptico de una parte aleatoria
de uno de los electrodos del supercondensador. La resolución no pudo ser mejor debido a
que el carbón es totalmente opaco por lo cual se tuvo que iluminar desde arriba para
obtener una imagen aceptable. En ella se puede observar una morfología similar a la de
una lija, donde su plano es deforme totalmente, no es liso. Esto se puede analizar más a
fondo en la Figura 24 donde se pueden observar como partículas de polvo que en realidad
son del mismo electrodo. Esto nos lleva a concluir que este material es polvo que fue
comprimido sobre el propio dieléctrico. La media en los tamaños se encuentra debajo de
las cinco micras, como se puede observar en la Figura 25 donde se enfocó un área aleatoria
que certifica que son partículas de polvo sobrelapadas unas con otras.
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Figura 24. Carbón activado de un electrodo. Vista desde un microscopio electrónico de barrido, resolución x1000.
No fue posible de determinar la profundidad de estas partículas, ya que al realizar el
análisis con el microscopio de fuerza atómica, se detectó una elasticidad del material que
impedía obtener una imagen concluyente, esta no se diferenciaba del ruido. Además de
que su estructura física era de esta manera, el fabricante realizo cada centímetro unos
agujeros que cruzaban el electrodo hasta llegar al dieléctrico. Esto se puede observar en
la Figura 26. El diseño de estos agujeros no está especificado en ninguna parte de su hoja
de datos, por lo que se intuye que sirven para permitir al electrolito llegar hasta el
dieléctrico, además de ayudar a incrementar el área superficial de los electrodos.
Figura 25. Carbón activado de un electrodo. Vista desde un microscopio electrónico de barrido, resolución x10000.
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Figura 26. Carbón activado, vista desde microscopio estereoscópico. En rojo hoyos realizados intencionalmente.
Además de verificar su morfología, también se quería observar su composición. Este
trabajo se realizó con el mismo microscopio de barrido electrónico. Para esto se debieron
preparar las muestras con un depositado de una pequeña capa de oro de 10 nanómetros
sobre una superficie metálica. En la Figura 27 se puede apreciar la preparación. Para este
caso se tomaron dos muestras, una con depósito de oro y otra sin él, esto con el fin de
observar cual toma era mejor.
Figura 27. Muestra con preparación y sin preparación sobre monedas de 100 pesos. De negro se encuentra el electrodo y de color plateado el dieléctrico.
En este caso se realizó la observación tanto de la composición del electrodo como del
dieléctrico. En la Figura 28 podemos observar que la ubicación aleatoria en el análisis
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composicional encontró dos tipos de materiales relevantes, carbono y flúor. Los dos
materiales están presentes en el supercondensador, y los porcentajes en que se
encuentran suponen que las muestras de flúor fueron partículas que se pegaron en la
muestra por parte del dieléctrico al transportase. El carbono está presente un 96.53% de
su peso mientras que el flúor está presente 3.47%. Con la suposición anterior se puede
afirmar que el electrodo es efectivamente de solo carbón activado como lo indica el
datasheet. Este análisis también se puede observar en la Figura 29 donde aparece el
espectro de materiales presentes en la muestra. Se puede detallar que hay un pico enorme
en la parte izquierda el cual es de carbono, mientras que el pico pequeño a su lado es el
flúor.
Figura 28. Topografía y lugares donde se analizó el material. En la imagen azul se encuentran los puntos rojos que simulan ser carbono en la imagen de la derecha. Los puntos blancos son flúor.
Figura 29. Espectro de materiales en la muestre del electrodo.
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Seguido de lo anterior se analizó también la composición del dieléctrico. Recordemos que
se llama Tetraethylammonium tetrafluoroborate y que su fórmula química es
(C2H5)4N(BF4). Vemos que en su fórmula según maxwell deberíamos encontrar Carbono,
hidrogeno, boro y flúor, pero el microscopio no detecta el hidrogeno, el nitrógeno ni el
boro. Esto se realiza con el fin de observar que otro material se encuentra en el dieléctrico.
En la Figura 30 podemos observar que el microscopio encontró 3 tipos de materiales. El
primero de ellos en color azul cian que representa el carbono en el material, el segundo
en rosado que representa el flúor y el tercero e inesperado material es el negro que
representa aluminio. Al lado derecho se encuentra la topografía que es en su mayor parte
lisa con algunas imperfecciones debidas al manejo del material (transporte, preparación
de muestras).
Figura 30. Topografía y lugares donde se analizó el dieléctrico. Los puntos negros simulan Aluminio, Los rosas flúor y el azul cian carbono.
El espectro de materiales del dieléctrico se encuentra en la Figura 31 donde el pico más
alto lo posee el aluminio, seguido del flúor y del carbono respectivamente. A pesar del
tamaño de los picos las concentraciones según peso cambian la perspectiva pues el
mayoritario es el carbono con un 82.59%, seguido del flúor con un 16.45% y el aluminio
con un 0.96%.
Encontrar aluminio en el dieléctrico fue extraño pues este no está especificado en ninguna
parte de la hoja de datos del supercondensador. Gracias a esta duda se utilizó la segunda
muestra no cubierta con oro para desmentir o afirmar lo visto. En la Figura 32 se observa
el espectro encontrado en esta muestra. Las mediciones en este caso no son certeras
debido a que el dieléctrico no es conductor, y este microscopio necesita conductividad para
poder analizar las muestras. Sin embargo se observó que el carbono desapareció, lo que
genero un incremento agresivo del porcentaje de aluminio con respecto al anterior. Ahora
los pesos se distribuyeron con un 55.61% para el flúor y un 44.39 para el aluminio. Esto
confirma que el aluminio si existe y está presente allí y que no fue un error cuantitativo.
26
Figura 31. Espectro de materiales en la muestre del dieléctrico de la muestra con oro depositado.
Figura 32. Espectro de materiales en la muestre del dieléctrico de la muestra SIN oro depositado.
La caracterización de todos los materiales solidos fue realizada a cabalidad cumpliendo los
objetivos. Sin embargo se quiso analizar una muestra más del condensador. Esta muestra
fue preparada para observar el double layer de los electrodos con su dieléctrico en el
centro. Esto nos permitía observar la morfología y la composición del condensador como
tal.
27
En la Figura 33 se observa el double layer, el carbón activado se ve como una esponja y
en la mitad de las dos capas se observa un color claro el cual es el dieléctrico. Se puede
observar que el dieléctrico tiene aproximadamente 25um de ancho y los electrodos 125um.
En esta imagen es donde se observa que la hoja de datos no concuerda con el modelo
real como se dijo anteriormente. Según la hoja de datos el dieléctrico posee un grosor de
menos de 10 Armstrong, lo cual no se evidencia en la imagen.
Figura 33. Supercondensador visto lateralmente desde el microscopio electrónico de barrido x200.
En la Figura 34 se observa un acercamiento de casi seis veces más que el de la Figura 33.
En esta imagen se puede observar en detalle la morfología y porosidad que hay entre el
dieléctrico y los electrodos. Se observa que al ser partículas estas no son uniformes y no
todos quedan en contacto con el dieléctrico lo cual permite un almacenamiento de iones
en esos espacios como se dijo anteriormente, aumentando así la capacidad misma de
almacenar energía [11].
28
Figura 34. Supercondensador visto lateralmente desde el microscopio electrónico de barrido x1500.
6 Diseño del banco de pruebas
Para realizar el banco de pruebas se tienen 6 condensadores de 3000 faradios a 2.7V cada
uno. Como se quiere llegar a competir con una batería de 12 voltios es necesario obtener
un voltaje de salida del banco de condensadores similar. La configuración del mismo ha
de ser planeada para obtener un gran almacenamiento de carga y un voltaje similar a los
12 voltios requeridos.
Se sabe que los condensadores se comportan inversamente que las resistencias con
respecto a sus valores de capacitancia. Se hicieron los siguientes análisis:
Paralelo:
29
Para adecuar el banco de condensadores se deduce que si se colocan en paralelo por su
fórmula:
C= ∑ Ck6k=1 =3000*6= 18000 Faradios
El voltaje se mantiene igual, es decir a 2.7 Voltios.
La energía almacenada es:
– En carga: Q = V ∗ C = 48600 Coulombs
– En energia: U =Q2
2C= 65610 Joules
Esta configuración almacena bastante energía. De aquella energía se dice que es útil un
80% de la misma puesto que después de consumir esta cantidad, los condensadores
cambian su comportamiento y el circuito de salida no podría trabajar eficazmente. 53000
Joules serían los útiles en este caso. A pesar de tener tanta energía, los voltajes son tan
bajos que el circuito de distribución tampoco puede manejar dichos voltaje. Por lo que esta
idea no es factible.
Serie:
Para adecuar el banco de condensadores se deduce que si se colocan en Serie por su
fórmula:
1
C= ∑
1
Ck= 0,002
6
k=1
C = 500 Faradios
El voltaje de los condensadores se suma, por lo cual el voltaje final es de 16,2 Voltios
La energía almacenada es:
– En carga:Q = V ∗ C = 6750 Coulombs
- En energía: U =Q2
2C= 45562,5 Joules
Esta configuración genera los voltajes necesarios para el proyecto, pero su energía
almacenada es disminuida drásticamente. Gracias a esto se observaron otra clase de
30
diseños con combinaciones mixtas, sin embargo la configuración en serie es una buena
opción.
Mixto:
Modelo 1:
Capacitancia: 666,6Faradios
Voltaje: 13,5Voltios
Carga: 9000Coulombs
Energía: 60750Joules
Este modelo surgió de la idea de mantener un alto voltaje sin decrecer la capacidad pero
viendo su condición, esta configuración desgasta los condensadores desigualmente, lo que
genera un deterioro mal distribuido, por lo cual se descartó esta opción.
Modelo 2:
Capacitancia: 2000Faradios
Voltaje: 8,1Voltios
Carga: 27000Coulombs
Energía: 182250Joules
Este modelo es un mixto puro, pues genera una buena distribución de cargas en todo su
entorno. Los condensadores distribuyen de forma equitativa la corriente y las cargas.
Además de esto, el voltaje y las cargas son altas como se necesitan para el banco. Por
ende este modelo también es muy factible.
31
De acuerdo a lo anterior y tomando como base al modelo del cargador y la fuente de
alimentación, se optó por formar una configuración de 5 supercondensadores en serie.
Aunque el mejor modelo fue el mixto dos, al verificar los voltajes entregados por la fuente
de corriente, se llegó a la conclusión de que era necesaria una modificación al circuito
conversor y debido a la falta de tiempo se decidió usar el más sencillo pero factible.
Para este modelo el voltaje necesario es de 13.5V para su carga y almacena 600 F, lo cual
significan 8.100Coulombs y 54.675Joules.
El diseño del banco se decidió que fuese desmontable, similar a una porta baterías
alcalinas, donde se pueden cambiar fácilmente en caso de deterioro. En la Figura 35 se
puede apreciar cómo se diseñó el banco de pruebas. Los contactos A tienen un sistema
de resorte que comprime los supercondensadores contra los contactos B dejándolos fijos.
Estos tienen polaridad que se debe respetar, puesto que si se colocan mal, el condensador
puede fallar o dañarse. Las medidas son precisas para garantizar el contacto con los
extremos del supercondensador, su tamaño es similar a la de una batería de automóvil.
Este también tiene un compartimiento reservado exclusivamente para el circuito de
distribución del cual se hablará a continuación.
Figura 35. Modelo para el banco de pruebas. Los contactos A tienen un sistema de resorte que comprime los supercondensadores contra los contactos B dejándolos fijos.
Después de tener el banco diseñado, se debe planear un circuito que controle la salida
pues para aprovechar las ventajas de los supercondensadores en su densidad de potencia,
se necesita realizar un diseño óptimo de distribución de la energía almacenada para que
esta no escape rápidamente y mantenga un voltaje estándar durante toda su descarga.
Este diseño viene basado en los conversores DC-DC step-up, que consiste en tomar un
voltaje mayor a 3 voltios y transformarlo en uno constante y estable. Es decir que para
32
una carga del banco de condensadores en 12V se regulara en 5V, suficiente para cargar
un teléfono móvil. Este voltaje se mantendrá a medida que el banco se descarga hasta
llegar a los 3 voltios, rango mínimo el cual el conversor deja de funcionar. En la Figura 36
se aprecia la configuración del circuito, el cual viene en un encapsulado [12] sobre un
circuito impreso que ya posee todo lo necesario. El sistema viene diseñado plug and play,
es decir que solo se conectan las terminales de salida y de entrada para que funcione. Este
circuito tiene un rango de entrada y un rango de salida de 3 a 50 Voltios con una corriente
de hasta 5 amperios y una eficiencia del 95%, lo cual disminuye el consumo del mismo al
máximo.
Figura 36. Circuito de salida, basado en el integrado XL6009. Conversor DC-DC step-up [13]
Ya sabiendo la eficiencia del circuito de salida y sus límites mínimos de entrada, se realizó
el cálculo de eficiencia del banco. El circuito de salida solo funciona con voltajes mayores
a 3 V por lo que se hizo un nuevo cálculo para determinar la cantidad de energía que se
podría usar. Este cálculo dio 5250Coulombs útiles. De estos 5250C solo el 95% es útil ya
que el circuito de salida consume el 5% restante. Lo que nos da una eficiencia del 74%.
33
7 Montaje del proyecto
Para el montaje final se diseñaron los circuitos impresos de los circuitos del cargador con
el fin de realizar el set-up del modelo.
En la Figura 37 se pueden observar los diseños en la herramienta digital de diseño de
circuitos impresos Eagle del conversor DC-DC y la fuente de corriente. Estos diseño se
mandaron a imprimir y estañar para favorecer el flujo de corriente, debido a que en
algunos sectores del mismo fluyen hasta 24 Amperios como se mencionó antes, esto se
puede ver en la Figura 38.
Figura 37. Diseños de los circuitos en EAGLE. Izquierda fuente de corriente, Derecha conversor DC-DC
34
Figura 38. Circuitos ya impresos según diseños. Izquierda fuente de corriente, Derecha conversor DC-DC
La idea del proyecto es que las partes sean desmontables por lo cual se decidió
interconectar todo con sockets para facilitar su uso. También se buscó una caja donde se
pudiese colocar dicho sistema y que se pudiese modificar para generar un flujo de aire
que permita refrigerar todo el sistema, puesto que las altas corrientes pueden calentar los
dispositivos. Esta caja fue comprada en plástico y especialmente para circuitos de potencia
que se calientan. Se modificó para que un par de ventiladores generaran un flujo de aire
dentro de la caja cuando se pusiesen los circuitos.
Se pusieron los implementos en su sitio y se conectaron los socket mencionados (Figura
39Figura 39). A pesar de que el objetivo de estos circuitos era cargar el banco de
condensadores y un condensador, también se adecuó como una fuente de laboratorio con
salidas de 12V, 5V, 3,3V y -5V. Esto se realizó con el fin de aprovechar la fuente de poder
que se usó para alimentar los circuitos.
35
Figura 39. Sistema del cargador del banco de supercondensadores.
La fuente utilizada como alimentación de la carga fue la antes mencionada con marca
MeanWell, pero también se optó por poner una fuente de poder de computador para
alimentar los circuitos, pues necesitaban diferentes tipos de alimentación. Esto se puede
observar en la Figura 40. En esta imagen también se pueden ver más claramente el uso
de los sockets antes mencionados en la parte superior derecha.
36
Figura 40. Fuentes de corriente usadas por el cargador. La de color gris es la fuente de computador de 255W, La de color plateado es la fuente MeanWell con 300W.
Después de tener las fuentes montadas se decidió poner los circuitos impresos diseñados.
En la Figura 41 se observa el primer prototipo del sistema. Se puede observar que los
transistores del conversor DC-DC se sacaron del impreso para así ajustarlos en un disipador
por prevención, ya que al ser transistores de potencia se podrían calentar y dañar el circuito
impreso.
Al realizar las pruebas para cargar un capacitor, este circuito colapsó pues algunos cables
no soportaban la corriente que fluía por ellos por lo cual se dispuso a cambiarlos y ajustar
los circuitos en la caja de plástico, impidiendo su movilidad y posibles daños por ella.
También se tuvo que remover el transistor MOSFET del circuito impreso ya que a pesar de
su refrigeración, este se calentaba demasiado dañando el circuito y colapsando en sí
mismo, es decir que se quemó. Para solucionar esto se diseñó un disipador junto con un
sistema de refrigeración autónomo para evitar estos daños en el futuro.
37
Figura 41. Prototipo 1 del cargador propuesto.
Los cambios realizados se pueden ver en la Figura 42. En la parte superior izquierda se
observa el sistema de disipación que se diseñó para mantener el MOSFET en una
temperatura óptima. También se observan en toda la imagen, algunos cables más gruesos
que permiten el paso de las corrientes que se usan en el sistema. Además de esto también
se agregó un voltímetro para verificar el estado del voltaje del banco mientras se carga.
Este sistema cargó el condensador totalmente en 13 minutos como se predijo en las
simulaciones vistas anteriormente. Ya teniendo el cargador en funcionamiento se probaron
cada uno de los condensadores independientes, todos tuvieron una carga precisa de 2.7
voltios en un tiempo aproximado de 13 minutos cada uno.
38
Figura 42. Modelo del prototipo de la fuente final.
Ya teniendo el cargador en funcionamiento, se inició el montaje del banco de
condensadores diseñado (Figura 35). Este se realizó con acrílico de 5mm de grosor para
soportar el peso de los condensadores. Se le añadió la electrónica mencionada junto con
salidas USB y bananas hembra. También se le colocaron dos interruptores para
independizar la carga del consumo, puesto que los dos pueden entrar en conflicto. En la
Figura 43 podemos observar el banco de condensadores ya terminado. Se observan los
condensadores puestos ya dentro de la caja diseñada, así como algunas de sus partes.
Este consta de un voltímetro que visualiza el voltaje de salida. Se instalaron dos
conversores step up mencionados anteriormente, uno con un voltaje de 30 voltios y otro
con 5. Esto con el fin de realizar las demonstraciones, el primero para encender una luz
led y el segundo para cargar un dispositivo celular.
39
Figura 43. Banco de pruebas final.
En este momento se decidió comparar la caracterización eléctrica obtenida de un solo
condensador con el banco en total.
Característica Condensador Banco de pruebas
Capacidad total 3000F 600F
Voltaje 2.7V 13.5V
Tiempo de carga ~13 min ~10 min
Corriente máxima 1900 A 1900 A
Tiempo de descarga con un consumo de 0.27W
~11 Hr ~25 Hr
Tabla 1. Comparación eléctrica del banco con un condensador.
La caracterización eléctrica muestra que un condensador individual posee una capacidad
aun mayor debido a que le banco de condensadores esta en serie, por lo que aumenta su
voltaje, pero reduce su capacitancia. Esto genera una reducción en los tiempos de carga.
La corriente máxima se conserva pues están los capacitores en serie, por lo que esta
propiedad no se altera. Los tiempos de descarga completa aumenta considerablemente
puesto que el banco de pruebas tiene una diferencia de potencial mayor que permite
distribuir la potencia solicitada por más tiempo. Estas pruebas se hicieron con una corriente
de carga de 24 amperios dada por el cargador y una descarga con un motor DC que
consumía 0.27W.
En la Figura 44 podemos observar el banco de pruebas trabajando en su acometido. En
este caso cargando un celular en su salida de 5 voltios. El celular carga normalmente y se
carga en el mismo tiempo que si estuviese conectado a un tomacorriente de pared.
40
Figura 44. Celular cargando con el banco de pruebas diseñado.
En la Figura 45 se puede observar que el banco enciende una luminaria led de 100 vatios
la cual mantiene encendida sin presentar algún error.
Figura 45. Luminaria led activa con el banco de pruebas diseñado.
Se realizaron pruebas de descarga con un moto-reductor con el fin de determinar el tiempo
de descarga del sistema. Este motor consumió 100mA durante todo el proceso y duró 10
horas en bajar el voltaje hasta 3 voltios los cuales son el valor mínimo en el que el
41
conversor DC-DC funciona. Después de ello se pasó a trabajar el motor directamente con
el voltaje del sistema y este demoró 15 horas más hasta detenerse por completo.
Recordemos que el sistema cargó en 10 minutos y su descarga útil fue en 10 horas con
un consumo de 0.5 Vatios todo el tiempo. Esto es una cifra excelente, pues ninguna batería
en el mundo realiza una carga tan rápida y una descarga de esa manera.
Con el fin de poner a prueba la batería al máximo, se conectó su salida directamente a un
inversor de automóvil con entrada máxima de 15 Voltios y mínima de 10 Voltios. La marca
fue SMT-1200 y su capacidad es de 1200W. Conectado a este se colocó una luminaria Led
de 20W a 110V. El resultado fue que disminuyo de 11.8V a 10 V en 15 minutos. Esto se
debió a que el consumo se potenció aún más puesto que el inversor es altamente
ineficiente, consumiendo aún más corriente que la misma luminaria.
8 Conclusiones
Recordando los objetivos del proyecto se desarrollaron las pruebas necesarias que
permitieron identificar los materiales que conformaban los condensadores así como su
operación. Se detectaron materiales como el aluminio los cuales no estaban especificados
en las hojas de datos ni en las hojas de seguridad del dispositivo.
La operación de los mismos fue identificada durante el diseño del cargador y la
caracterización de los materiales. Se pudo observar que el tipo de condensador es de
double layer y que sus electrodos son polvo de carbón activado comprimido que a su vez
permite ser un electrodo poroso con un área superficial realmente superior a cualquier
otro condensador. Se caracterizó eléctricamente cada condensador obteniendo una media
de carga de 13 minutos. También se observó que el condensador sobrepasaba las
especificaciones demostradas en el diagrama de Ragone, donde su densidad de potencia
era 5900W/Kg y su densidad de energía era de 6W/Kg. Se pudo determinar que el banco
de condensadores posee una eficiencia superior a la de una batería pues su tiempo de
carga contra el de descarga sobrepasa con creces los datos de cualquier batería. Además
de ello la capacidad de ciclos que tiene cada condensador sobrepasa el millón gracias a su
naturaleza electrostática. Como se pudo observar todos los objetivos se alcanzaron a
cabalidad durante su ejecución.
Los resultados fueron satisfactorios debido a que la implementación teórica en el prototipo
ha funcionado correctamente. Los montajes físicos culminaron conforme a las bases
teóricas, sustentando así todos los cálculos y comportamientos esperados expuestos en
este documento. La caracterización se realizó a cabalidad, aclarando algunos conceptos
de su comportamiento y composición, el por qué este dispositivo almacena mucho más
energía que uno convencional y mostrando su estructura interna.
42
9 Trabajo futuro
Observando los resultados del proceso, y conociendo las capacidades que albergan estos
dispositivos, se puede notar que en trabajo no termina aquí. Los alcances de estos
condensadores y de los bancos mismos son inimaginables. Hay que realizar investigación
acerca de cómo volver más eficiente estos montajes con el fin de cambiar las baterías de
ahora por este tipo de tecnología y sacarles el máximo provecho a todas sus propiedades
de carga, descarga, ciclos y vida útil.
Trabajando en este proyecto surgieron diferentes dudas que pueden ser tema de estudio
en el futuro. Una de ellas es el aprovechamiento de espacio, un condensador siempre es
cilíndrico, ¿por qué no hacerlo ovalado y largo?, sus propiedades no cambian y si se
aprovecha el espacio muerto que existen entre ellos dentro del banco.
¿Por qué no usarlos para automóviles?, su característica de soportar más de 1 millón de
ciclos o 10 años de vida útil excede con creces las de una batería de carro que apenas
dura 2 años y es toxica.
¿Por qué no combinar estos sistemas con generadores de energías alternativas?, Sobre
esto hay muy poca literatura a pesar de ser muy factible. Si se diseña un sistema lo
suficientemente optimo que cargue un banco de supercondensadores en 10 minutos de
sol, se tendría electricidad para toda una noche en un lugar sin suministro eléctrico.
Así como estos interrogantes, existen miles de posibilidades si este campo de investigación
se amplia. Si existe algún dispositivo en el mundo capaz de reinventar las baterías
tradicionales, es este.
10 Agradecimientos
Este proyecto no pudo haber sido culminado sin Dios que me dio la licencia de poder tener
la salud y el empeño suficiente para lograrlo. A mis padres Norberto Montañez y Lucrecia
Gordillo que me apoyaron tanto en momentos difíciles y me dieron la energía para
continuar. A mis preciados amigos Miguel Ángel Sánchez e Iván Sarmiento que con sus
conocimientos en ingeniería y su apoyo incondicional tomaron mis dificultades y las
volvieron soluciones. A mi novia Karold Yulieth Jiménez que con su carisma me animo en
todo momento durante este proceso. Al profesor Johan Osma que con su conocimiento
me guio en algunas dificultades. A mis compañeros de seminario que con sus experiencias
aportaron ideas al desarrollo del proyecto. A las personas encargadas de los laboratorios
de microscopía y sala limpia, Alejandro Castañeda, Dery Corredor y Alfredo Sánchez por
su disposición y buen trato a la hora de usarlos. Por último y no menos importante a la
profesora Alba Ávila por la que guardo especial cariño pues sin su apoyo y su experiencia
este proyecto no podría haberse culminado con éxito.
43
11 Bibliografía
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(Universitat Ramon Llull), Barcelona, 2013.
45
12 Índice de Figuras
Figura 1. Metodología del proyecto ........................................................................... 3
Figura 2. Ragone chart con dispositivos de almacenamiento y combustión. [2] .............. 4
Figura 3. Supercondensador Maxwell a desmontar. ..................................................... 5
Figura 4. Tabla de características tecnicas del supercondensador Maxwell escogido [3] .. 6
Figura 5. Voltaje del condensador en lila, Corriente de carga en cian. ........................... 7
Figura 6. Carga teórica del condensador con pulsos de voltaje. Pulsos de voltaje de color
negro y voltaje del condensador de color rojo. ........................................................... 8
Figura 7. Corriente funcionamiento ideal de una fuente de corriente para cargar un
supercondensador maxwell. ..................................................................................... 10
Figura 8. Fuente de corriente continua [8]. ............................................................... 10
Figura 9. Grafica resultante de la simulación de la Fuente de corriente continua. .......... 11
Figura 10. Fuentes de poder de computadores de escritorio. ...................................... 11
Figura 11. Modelo del conversor DC-DC tomando cualquier voltaje y convirtiéndolo en 2.7V
necesarios para un solo supercondensador. ............................................................... 12
Figura 12. Grafica de salida del voltaje del modelo del conversor DC-DC. En cian se
encuentra el voltaje de salida. .................................................................................. 13
Figura 13. Diseño completo del cargador para un condensador. Fuente de corriente
conectada a la salida del conversor DC-DC. ............................................................... 13
Figura 14. Resultados simulados del diseño completo del cargador para un condensador.
En negro se observa la corriente controlada, en azul cian se observa el voltaje regulado
del conversor DC-DC y en morado se ve la carga del supercondensador. ..................... 14
Figura 15. Fuente de poder de 750 Watts modificada para alimentar las fuentes diseñadas.
............................................................................................................................. 14
Figura 16. Regulador DC-DC de alta potencia. En la protoboard izquierda el circuito
regulador, en la derecha el circuito de potencia. ........................................................ 15
Figura 17. Fuente de corriente continua para carga de supercondensador.................... 15
Figura 18. Fuente de alimentación marca maxwell. Versión SP-320-12......................... 16
Figura 19. Resultados simulados del diseño completo del cargador para un condensador
con altas corrientes. En Verde oscuro de observa la corriente controlada de 24 Amperios,
en rojo se observa el voltaje regulado del conversor DC-DC a 2.7V y en morado se ve la
carga del supercondensador. ................................................................................... 17
Figura 20. Medición exterior del supercondensador. ................................................... 18
Figura 21. Supercondensador desmontado y almacenado. .......................................... 19
Figura 22. Modelo de condensador electrolítico, similar al supercondensador. .............. 19
Figura 23. Carbón Activado del electrodo. Vista desde un microscopio óptico. .............. 21
46
Figura 24. Carbón activado de un electrodo. Vista desde un microscopio electrónico de
barrido, resolución x1000. ....................................................................................... 22
Figura 25. Carbón activado de un electrodo. Vista desde un microscopio electrónico de
barrido, resolución x10000. ...................................................................................... 22
Figura 26. Carbón activado, vista desde microscopio estereoscópico. En rojo hoyos
realizados intencionalmente. .................................................................................... 23
Figura 27. Muestra con preparación y sin preparación sobre monedas de 100 pesos. De
negro se encuentra el electrodo y de color plateado el dieléctrico................................ 23
Figura 28. Topografía y lugares donde se analizó el material. En la imagen azul se
encuentran los puntos rojos que simulan ser carbono en la imagen de la derecha. Los
puntos blancos son flúor. ......................................................................................... 24
Figura 29. Espectro de materiales en la muestre del electrodo. ................................... 24
Figura 30. Topografía y lugares donde se analizó el dieléctrico. Los puntos negros simulan
Aluminio, Los rosas flúor y el azul cian carbono. ........................................................ 25
Figura 31. Espectro de materiales en la muestre del dieléctrico de la muestra con oro
depositado. ............................................................................................................ 26
Figura 32. Espectro de materiales en la muestre del dieléctrico de la muestra SIN oro
depositado. ............................................................................................................ 26
Figura 33. Supercondensador visto lateralmente desde el microscopio electrónico de
barrido x200. .......................................................................................................... 27
Figura 34. Supercondensador visto lateralmente desde el microscopio electrónico de
barrido x1500. ........................................................................................................ 28
Figura 35. Modelo para el banco de pruebas. Los contactos A tienen un sistema de resorte
que comprime los supercondensadores contra los contactos B dejándolos fijos. ........... 31
Figura 36. Circuito de salida, basado en el integrado XL6009. Conversor DC-DC step-up
[13] ....................................................................................................................... 32
Figura 37. Diseños de los circuitos en EAGLE. Izquierda fuente de corriente, Derecha
conversor DC-DC .................................................................................................... 33
Figura 38. Circuitos ya impresos según diseños. Izquierda fuente de corriente, Derecha
conversor DC-DC .................................................................................................... 34
Figura 39. Sistema del cargador del banco de supercondensadores. ............................ 35
Figura 40. Fuentes de corriente usadas por el cargador. La de color gris es la fuente de
computador de 255W, La de color plateado es la fuente MeanWell con 300W. ............. 36
Figura 41. Prototipo 1 del cargador propuesto. .......................................................... 37
Figura 42. Modelo del prototipo de la fuente final. ..................................................... 38
Figura 43. Banco de pruebas final. ............................................................................ 39
Figura 44. Celular cargando con el banco de pruebas diseñado. .................................. 40
Figura 45. Luminaria led activa con el banco de pruebas diseñado. ............................. 40
47
Tabla de anexos
Anexo 1, Datasheet del supercondensador
Anexo 2, Hoja de seguridad del supercondensador
Anexo 3, Datasheet de la fuente MeanWell SP-320-12
Anexo 4, Hoja de seguridad del Carbón Activado
Anexo 5, Hoja de seguridad del Tetraethylammonium tetrafluoroborate
Anexo 6, Hoja de seguridad del Acetonitrilo
Anexo 7, Datasheet del conversor DC-DC step-up
