EEL805 – Condicionamento de Energia
André Luís M. Mantovani - 14478
Daniel Sanches de Carvalho - 14485
Luiz Eduardo Souza Santos - 14513
Gustavo de Bortoli - 14497
Lucas Santana Bittencourt - 14512
Paulo Vinicius Fonseca - 14523
Tiago José Marques - 14543
agosto/2010
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Estudar capacitores e supercapacitores
Aprofundar a teoria
Discutir vantagens e desvantagens
Exemplificar
Comparar armazenadores de energia
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Armazena energia baseado no
desequilíbrio interno de cargas
elétricas
Não produz elétrons, apenas realoca
Possui dois terminais que são
conectados a duas placas metálicas
separadas por um dielétrico.
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Garrafa de Leyden (1745)
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Bevis: experimentador liga a garrafa à
Terra; o importante é o vidro entre os
dois condutores
1750: Aepinus faz experiências que o
levam à construção de um capacitor
com dielétrico de ar
Atualmente: eletrolíticos e
eletrostáticos
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A propriedade que os capacitores têm de
armazenar energia elétrica sob a forma de
um campo eletrostático é chamada de
capacitância [C]
Q
C
V
C = capacitância em farads
Q = carga em coulombs;
V = diferença de potencial em volts.
De acordo com o material utilizado como dielétrico
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cerâmica (valores baixos até cerca de 1 μF);
poliestireno (geralmente na escala de picofarads);
poliéster (de aproximadamente 1 nF até 1F);
polipropileno (baixa perda, alta tensão, resistente a
avarias);
tântalo (compacto, dispositivo de baixa tensão, de
até 100 μF aproximadamente);
eletrolítico (de alta potência, compacto e perda
elevada, na escala de 1 μF a 1000 μF).
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Através da inserção de diversos tipos de
dielétricos
Os materiais isolantes são caracterizados
pelo nível de tensão de ruptura, ou seja, cada
dielétrico possui uma rigidez dielétrica que,
ao ser rompida torna o dispositivo um
condutor
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Cargas de uso rápido
Eliminação de ondulações
Osciladores (capacitor + indutor)
Desacoplamento de sinais
Correção do fator de potência
DRAM: capacitor + transistor
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Correção FP
◦ chaveamento causa afundamento
ou elevação de tensão
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Harmônicos
◦ aquecimento (condução), histerese (frequência)
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Ressonância:
◦ série (trafo+capacitor): sobrecorrente
◦ paralelo (capacitor+carga): sobretensão
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Condensador eletroquímico que possui uma
grande capacidade de armazenamento de
energia quando comparado a capacitores
comuns
Enquanto capacitores comuns possuem uma
capacitância da ordem de mili, micro ou
nanofarads, os supercapacitores são
avaliados nas unidades de 1 farad ou mais
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O primeiro supercapacitor, baseado em um
mecanismo de camada dupla, foi
desenvolvido em 1957 pela General
Eletronics
Eles foram criados a partir da necessidade de
se obter capacitores com uma maior
capacidade de armazenamento de energia
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Devido à sua construção e suas
características, pode-se dizer que os
supercapacitores são um cruzamento dos
capacitores convencionais com as baterias
eletroquímicas
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Pouca degradação após centenas de milhares
de ciclos
Baixa impedância
Recarrega rapidamente
Baixa toxicidade de materiais usados
Possui métodos simples para a recarga - não
há a necessidade de circuito que detecte a
carga máxima nem há perigo de extrapolar a
quantidade de energia máxima que o
capacitor suporta.
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A quantia de energia armazenada por peso de
unidade é consideravelmente mais baixa que o
de uma bateria eletroquímica
A tensão varia com a energia armazenada
Cada unidade de um supercapacitor possui uma
tensão baixa (2,5 ou 2,7 [V]) - há a necessidade
de conexão em série para trabalhar com tensões
elevadas
Descarrega-se mais facilmente e de forma mais
rápida que uma bateria comum mesmo quando
não há intenção de drenar sua energia
EDLC
Hybrid Capacitor
Battery
Tempo para
descarregar
Tempo para carregar
1 ~ 30 s
40s ~ 1h
0,3 ~ 3h
1 ~ 30 s
40s ~ 1h
1 ~ 5h
Densidade de Energia
(Wh/kg)
Densidade de Potência
(W/kg)
Eficiência CargaDescarga
Ciclos de recarga
1~5
5 ~10
20 ~100
2000 ~ 5000
500 ~ 1000
50 ~200
0,90 ~ 0,95
0,90 ~ 0,95
0,70 ~ 0,85
>200.000
10.000 ~ 50.000
500 ~ 2000
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Supercapacitores e baterias não
necessariamente encontram-se em
competição: pelo contrário, eles podem
trabalhar muito bem quando há cooperação
entre ambos
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Veículo de transporte público
articulado;
Híbrido com células a
combustível (hidrogênio)
Amsterdam e Colônia
(Alemanha)
140 passageiros
Supercapacitores armazenam a
energia vinda da frenagem
regenerativa
Nas arrancadas os
supercapacitores liberam a
energia e transferem potência
ao motor
Trens e metrôs podem utilizar
a mesma tecnologia
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EDLC Supercapacitor
de dupla camada
(VINATECH Inc.)
 Energia contida em um capacitor de 600 [F], 2,3 [V]:
 Energia de 600 capacitores de 600 [F] associados em série
onde é aplicado 440 [V] no conjunto:
 1 [W] = 1[J/s]
 3.600 [J] = 1 [Wh]
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Nanotubos de carbono e polímero
Tem propriedades de
nanoporosidade excelentes,
deixando espaços minúsculos aos
polímeros para encaixarem-se no
tubo e agir como um dielétrico
Aerogel (um material de alta
porosidade) Polímero tem um
mecanismo de armazenamento
redox (redução-oxidação) junto
com uma área de superfície alta
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Supercapacitores e redes sem
fios-Elementos Diferenciais
Ausência de rede aérea
Pequenas estações retificadoras
(150 kW - 440 V);
Retificação > Supercapacitores
> banco de baterias > tração
nas rodas
Não emite poluentes
Sistema utilizado em Xangai,
China
Automóveis híbridos
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Solução viável e confiável para fornecer potência a
curto prazo de tempo
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Sistemas STATCOM (Compensadores Estáticos),
controlam os picos de tensão em sistemas elétricos
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São importantes pois aumentam a estabilidade de
sistemas elétricos de potência através da melhoria das
características transitórias e de amortecimento
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Veículos híbridos
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Uso de supercapacitores como buffers
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Armazenamento de energia
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Sistemas de transferência de potência
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Com o passar do tempo, os avanços científicos e tecnológicos
possibilitaram a evolução dos capacitores. Sua potência e eficiência
também se ampliaram ao longo dos anos. Novos materiais e novas
técnicas de fabricação foram sendo empregados na manufatura
destes dispositivos indispensáveis em inúmeras aplicações elétricas e
eletrônicas
Com o emprego da nano tecnologia nasceu uma nova família de
armazenadores de energia: os supercapacitores. Estes possuem a
capacitância milhares de vezes maior que seus antecessores. Sua
capacidade de descarga energética no tempo é também superior aos
capacitores tradicionais. Estes novos dispositivos são muito
promissores e suas diversas aplicações ainda estão para ser
pesquisadas e aprimoradas. Até o momento, sua utilização tem-se
mostrado muito satisfatória