Teoría
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Los supercondensadores o supercapacitores, también conocidos como condensadores electroquímicos de doble capa, pseudocapacitores, ultracapacitores o simplemente EDLC por sus siglas en inglés, son dispositivos electroquímicos capaces de sustentar una densidad de energía inusualmente alta en comparación con los condensadores normales, presentando una capacidad miles de veces mayor que la de los condensadores electrolíticos de alta capacidad.
Mientras que un típico condensador electrolítico tiene una capacidad de decenas de miliFaradios (mF), la de un EDLC del mismo tamaño será de varios faradios, o sea alrededor de dos o tres órdenes de magnitud mayor, pero generalmente con una menor tensión de trabajo. Los EDLC comerciales de mayor tamaño cuentan con capacidades tan elevadas como 5000 F, alcanzando densidades de energía de hasta 30 Wh/kg (unas 500 veces menos que la gasolina).
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Normalmente almacenan de 10 a 100 veces más energía por unidad de volumen o masa que los condensadores electrolíticos, pueden aceptar y entregar la carga mucho más rápido que las baterías y tolerar muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables.
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Las aplicaciones son muy variadas, realmente interesantes y prometedoras.
En nuestro caso nos avocaremos en esta oportunidad a su aplicación en la cosecha de energía.
Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía temporal adecuados para sistemas de cosecha de energía. En los sistemas de cosecha de energía, la energía se recoge de las fuentes ambientales o renovables, como ser movimiento mecánico, luz o campos electromagnéticos, y se convierte en energía eléctrica en un dispositivo de almacenamiento de energía.
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Por ejemplo, se demostró que la energía cosechada de los campos de RF (radiofrecuencia) (utilizando una antena RF con un circuito rectificador apropiado) se puede almacenar en un supercapacitor impreso. La energía recolectada se utilizó entonces para alimentar un circuito de circuito integrado de aplicación específica (ASIC) durante más de 10 horas.
O bien, como hemos presentado en nuestro prototipo, en el proyecto cosecha de energía 2, donde se cosechó la energía de un panel conformado por LEDs, para energizar una placa que incluía un procesador, sensores y módulo de transmisión bluetooth.
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Los supercondensadores no admiten aplicaciones de Corriente Alterna.
Los supercondensadores tienen ventajas en aplicaciones en las que se necesita una gran cantidad de energía durante un tiempo relativamente corto, en el que se requiere un número muy elevado de ciclos de carga / descarga o una vida útil más larga. Las aplicaciones típicas van desde corrientes de miliamperios o miliwatts de potencia por unos pocos minutos hasta varios amperios de corriente o varios cientos de kilovatios de potencia durante períodos mucho más cortos.
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Algunas fórmulas necesarias para analizar estos componentes:
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Dado que la capacidad de un condensador (C) está dada por el cociente entre la carga acumulada (Q) y la diferencia de potencial (U) entre sus placas
C = Q / V
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y siendo que la corriente I es la carga Q que circula en un tiempo t
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I = Q / t
El tiempo t que un supercapacitor puede entregar una corriente constante I se puede calcular como:
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t= C . (Ucarga - Umin) / I
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Donde el voltaje del condensador disminuye desde el potencial Ucarga hasta Umin.
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Si sabemos que la potencia P esta dado por el potencial (U) multiplicado por le corriente (I)
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P = V . I
Por otro lado la energía (E) almacenada en un condensador se expresa como
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E = 1/2 . C . V^2
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Y la potencia se expresa como
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P = E / t
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Si la aplicación necesita una potencia constante P durante cierto tiempo t esto se puede calcular como:
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t = C/(2.P) . (Ucarga^2 - Umin^2)
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En el que también el voltaje del condensador disminuye desde la Ucarga hasta Umin.
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(estracto de:
https://es.wikipedia.org/wiki/Supercondensador#Autom.C3.B3viles_h.C3.ADbridos
Objetivo
Desarrollar una aplicación que permita reemplazar las pilas pequeñas como las AA y AAA que usualmente se utilizan en dispositivos de control remoto infrarrojos, típicamente utilizados para controlar TVs, DVDs, Blu-Ray, cámaras, equipos de música, etc.
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Desarrollo
Las características de los supercapacitores son ideales para aplicaciones de bajo voltaje. Aprovechando su alta capacidad de almacenamiento de carga eléctrica y por otro lado, el bajo consumo de los controles remotos, se hace factible una aplicación capaz de basar el sistema de energía de los controles remotos mediante supercapacitores, reemplazando de esta manera las pilas.
Para ello debemos encontrar la manera de aprovechar al máximo la carga acumulada por el supercapacitor.
Logrando que éste entregue la totalidad de su carga mientras energiza al control remoto, lo que implicará entregar durante toda su descarga una tensión constante de 3 votls.
En definitiva, mientras el capacitor se descarga, considerando que posee un potencial inicial de por ejemplo 5 volts, la tensión decrecerá progresivamente hasta llegar en el mejor de los casos a prácticamente 0 volts. Pero como se comentó recientemente, la tensión en la salida se deberá mantener en 3 volts.
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Continuando con el concepto de la descarga del supercapacitor la que produce que el potencial del mismo decrezca, tomando como referencia que la tensión o potencial inicial es de 5 volts. Este potencial en su decrecida, tendrá inicialmente valores superiores a 3 volts para luego pasar por 3 volts y tomar valores inferiores a éste.
Esto requiere una conversión y estabilización de voltaje de corriente continua a corriente continua(DC/DC).
Las conversiones DC/DC se realizan en dos sentidos. Si la tensión de entrada es superior a la de salida se denomina modo step-down, pero si es al revés se denomina step-up.
Además de los requisitos electrónicos, se debería mantener una alta miniaturización, para que el prototipo pueda entrar en la cavidad que ocupan las pilas en el control remoto.
Con todas estas consideraciones de desarrollo para cumplir con el objetivo expuesto, se presenta una solución integrada toda en un pequeño circuito integrado (IC) capaz de llevar ambas conversiones (step down - step up) con una única configuración, y por otro lado su alta miniaturización, características típicas de la integración de circuitos electrónicos.
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Cabe mencionar que este IC, posee ciertas limitaciones.
La tensión de salida podrá ser configurada en 3 volts pero con un límite de corriente de 300 ma.
La tensión de entrada podrá variar entre 5,5 a 0,3 volts, siempre y cuando la primera carga en el supercapacitor de entrada haya superado los 0,5 volts.
Sin embargo estas limitaciones no son ningún impedimento para los requerimientos del prototipo de reemplazo del sistema de energización de los controles remotos infrarrojos de mercado.
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El esquema presentado a continuación representa toda la aplicación descripta en el desarrollo.
Como se puede observar, las configuraciones del IC permitirían reemplazar dos a tres pilas de 1,5 volts, conectadas en serie.
Con este desarrollo planteado se podría hacer una estimación de la autonomía del uso continuo del control remoto energizado por supercapacitores.
Considerando que, manteniendo un botón del control presionado constantemente, y que éste consume alrededor de 30 mA, la potencia de consumo sería de 90 mW.
Y si nuestro supercapacitor es de 1,5 Faradios, de la teoría expresada anteriormente estimaríamos que el tiempo de duración manteniendo constantemente el botón presionado, daría una autonomía en segundos, a saber:
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t = C/(2.P) . (Ucarga^2 - Umin^2)
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t = 1,5 /(2 x 0,09) x ( 5 x 5 - 0,3 x 0,3 ) = 207,6 segundos
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Es decir que nos estaría dando 3,5 minutos de autonomía de uso continuo del control remoto (botón presionado todo el tiempo).
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Conclusión
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Esta aplicación servirá entonces para cumplir con el objetivo del proyecto, es decir la factibilidad de simular el comportamiento de las pilas del control remoto.
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Si bien vemos limitaciones, no se debe perder de vista el importante impacto ecológico positivo que posee, ya que se reducirían en gran medida los inconvenientes que traen las pilas desechadas. Y dado que el número de controles remotos por vivienda suelen ser al menos dos, multiplicado por la cantidad de viviendas y que cada control posee en geneal al menos dos pilas, este número no es nada despreciable cuando se trata de un desecho de alta contaminación ambiental.
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Además, otro aspecto a tener en cuenta es el tiempo de vida útil de los supercapacitores, que es varias veces superior al de las pilas. Los supercapacitores soportan ser recargados muchas más veces que las pilas recargables.
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Sin embargo, se debe destacar que la autonomía de utilización del control remoto entre carga y carga es bastante más reducida que la aportada por las pilas.
Esta situación está condicionada por el requisito de miniaturización, ya que si no existiera este requisito, se podría elegir un banco de supercapacitores suficiente para alcanzar una carga de energía eléctrica equivalente al de las pilas.
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Por tal motivo se debe tener presente el hecho de resolver el método de carga de energía del supercapacitor. Es un punto de suma importancia el cuál se deberá desarrollar para lograr un prototipo práctico y útil que cumpla en su totalidad con el objetivo antes expuesto.
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Este tema ya esta siendo investigado para ser desarrollado y presentado en breve, y complementar el actual desarrollo de este proyecto.
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