Cómo construir un banco de energía con supercondensadores.

Recientemente se ha introducido en el mercado los "supercondensadores" o lo que es lo mismo condensadores de gran capacidad pero que mantienen prácticamente el mismo factor de forma que los condensadores electrolíticos que estamos acostumbrados a usar en electronica .

Un aspecto muy diferenciador de esta nueva tecnología es que gracias a esta se puede almacenar energía sin reacciones químicas , lo cual permite que los súpercondensadores se carguen y descarguen mucho más rápido que las baterías y debido a ello no sufren el desgaste causado por las reacciones químicas, también durando mucho más tiempo (como sabemos a diferencia de los condensadores ordinarios, las baterías almacenan energía en una reacción química, y debido a esto, los iones se insertan realmente en la estructura atómica de un electrodo : a diferencia de un condensador, los iones simplemente "se adhieren".)

Normalmente si descargamos nuestra batería del coche a menudo e intentamos arrancar nuestro coche una vez más ,esto causará más daño a la batería del coche y eventualmente no cargará de nuevo , hasta que llegue un tiempo rodando otra vez. Sin embargo esto no es cierto para los super-condensadores: por ejemplo un condensador tradicional del tamaño de una batería de célula 18650 , tiene una capacidad de aproximadamente 20 microfaradios, pero si tomamos un supercondensador de tamaño similar, este puede llegar a tener una capacidad de 300 Farads lo que significa que para la misma tensión, el supercondensador podría en teoría almacenar hasta 15 millones de veces más energía.

A pesar del gran avance ,sin embargo no todo son ventajas en los condensadores pues un condensador típico de 20 microfaradios sería capaz de manejar hasta 300 voltios, mientras que un ultracondensador solo puede llegar a soportar 2,7 voltios, lo cual significa que si se usa un voltaje más alto, el electrolito dentro del supercondensador comienza a descomponerse y podría por tanto llegar a destruirse: por este motivo en realidad un super-condensador tiene la capacidad de almacenar alrededor de 1.500 veces la energía de un condensador de tamaño similar.

Por todo esto los supercondensadores aunque el campo de aplicación es muy grande : alimentación de emergencia ideal para CMOS, RAM, VCR, radio, televisión, teléfono, instrumentos inteligentes, datos de conducción, tres ICs, relojes electrónicos, linternas LED, dispositivos inteligentes, motores de juguetes, pantalla DC, USV industrial, válvula magnética, IC, reflectores LED, etc. deberíamos tenemos tener en cuenta algunas consideraciones ya comentadas antes de proceder a usarlos.

Preparación de un supercondensador

Como hemos ya comentado los supercondensadores deben ser cargados SIEMPRE con circuitos de carga balanceadas pues sin estos corremos el riesgo de destruirlos .No obstante si piensa que son complejos no es así puesto que estos, circuitos son asequibles de bajo costo , sencillos ( en realidad hablamos de un simple circuito de conmutación que no deja pasar la tensión de carga al condensador por encima del umbral ) y son muy fáciles de instalar pues van encima de cada condensador ya que están diseñadas con la misma forma para colocar estos justo encima y dar continuidad eléctrica ( y carga ) al conjunto

Por ejemplo si conectamos 5 supercondensadores en serie a 12v el voltaje no se dividirá por igual entre los diferentes terminales de los condensadores (2.2V),lo cual ya no está dando una pista de sus limitaciones especialmente a la hora de cargarlos puesto que en caso de asociación serie , hasta que cada supercondensador esté completamente cargado, el voltaje en los extremos de cada condensador subirá y bajará casi como en vumetro de leds precisamente :es precisamente esta la razón por la que debemos usar un circuito de protección que proteja los condensadores labor que realizan las placas balanceadoras las cuales mantiene el voltaje entre los condensadores entre 2.7V o menos , es decir los mantiene en la zona segura de funcionamiento segura cortando la tensión de carga cuando se supera ese valor protegiendo así de este modo al supercondensador

Estas placas por tanto nos descargan de un trabajo tedioso pues para cargar un simple condensador de 2.7V 500F con 2.4 v de forma segura sin usar una placa balanceadora deberíamos conectar un voltímetro y un amperímetro simultáneamente durante unos 30 minutos para llegar casi a los 2V con una intensidad de unos 0.19Amp controlando en cada momento que no se supere el umbral . Una vez cargado aunque baje la tensión estos se comportan manteniendo la corriente casi invariable

Vamos a ver como calcular la capacidad resultante de la asociación mas tipica de 5 supercondensadores

En el caso de dos condensadores serie sabemos que esta es la capacidad resultante es 1/c= 1/c1+ 1/c2

Por tanto la capacidad resultante será : 1/Cfinal= 1/500+ 1/500 => Cfinal = 250F

Asimismo las tensión final es el sumatorio de las parciales:V=V1+v2

Es decir V= 2.7 +2.7 =5.4V

En el caso de tres condensadores serie sabemos que esta es la capacidad resultante es

1/c=1/c1+1/c2+1/c3 lo que da Cfinal= 166.67F

Asimismo las tensión final es el sumatorio de las parciales: 3x 2.7V 500F =8.1v

En el caso de cuatro condensadores serie 1/c=1/c1+1/c2+1/c3 +1/c4

Por tanto la capacidad resultante será Cfinal= 125F

Asimismo las tensión final es el sumatorio de las parciales:4 x 2.7V 500F =10.8V

Finalmente en el caso de cinco condensadores serie 1/c=1/c1+1/c2+1/c3 +1/c4+1/c5

Por tanto la capacidad resultante será Cfinal= 100F

Asimismo las tensión final es el sumatorio de las parciales 5* 2.7V 500F = 13.5V , que es justo el valor que queremos llegar

Calculo final

En el calculo anterior de 5 supercondensadores serie obtuvimos una tensión útil de 13.5V d3l conjunto pero con una capacidad final muy mermada de 100F así que para aumentarla si tomamos dos agrupaciones de 5 condensadores en serie en paralelo la capacidad aumentará manteniéndose la tensión final;

La capacidad de este conjunto aumenta justo el doble tal y como nos dicen los cálculos

1/cfinal= 1/c1+1/c2+1/c3 +1/c4+1/c5 + 1/c6+1/c7+1/c8 +1/c9+1/c10 =>

1/cfinal= 1/500+1/500+1/500 +1/500+1/500 + 1/500+1/500+1/500 +1/500+1/500 =>

cfinal=200F

Asimismo las tensión final es el sumatorio de las parciales de una agrupación al estar ambas en paralelo

Es decir V= 10 x 2.7V = 13.5V

En resumen tenemos con ambas agrupaciones un supercondensador equivalente de 3.5V 200F

Como C=As/V ( AS=Amperios por segundo) , entonces AS=C+V,

AS= 200F x 13.5V =2700 Amp/seg

Vemos que para nuestra agrupación serie y paralelo de 10 supercondensadores obtenemos pues una capacidad en AS de 2700 Amp/seg

Por otro lado como la capacidad de un acumlador normalmente se mide en unidades de tiempo (AH= Amperios hora) como AH =AS/3600s

C (en Amphora) =2700 (enAmp/seg) /3600= 0.75Ah

Vemos que para nuestra agrupación de 10 supercondensadores una capacidad en AH de 0.75AH que sería la capacidad de esta agrupación , lo cual nos hace ver en números que con estas agrupaciones siguiendo estas fórmulas ya comentadas necesitamos bastantes elementos ( por ejemplo para obtener un powerbank de 15AH necesitaríamos unos 200 supercondensadores de 2.7V 500nf)

Una vez hecho los cálculos llega el momento de construir el banco de supercondensadores , para lo cual lo primero es soldar los condensadores a las placas de protección respetando escrupulosamente la polaridad .

Ya montados los módulos de condensador con las placas toca interconectar estos para obtener los 0.75AH . Debemos tener en cuenta ,dada la corriente que debe pasar por estos cables que deberemos hacer la interconexión con cables de cobre de cierto espesor . En este sentido como un cable de 1.1mm soporta unos 99 Amp en alterna lo ideal es usar varios cable juntos para que no haya problemas de calentamiento de estos

Este es el resultado final del montaje

Medición de corriente y tensión de carga

La mejor manera de monitorear la carga de un acumulador o una la agrupación de supercondensadores es usar un medidor multifuncional de panel , pero !atención ! , porque este debe ser especial para corriente continua, lo cual será claramente evidente cuando sea necesario un shut que deberemos conectar en serie con la carga (en nuestro caso el banco de supercondensadores)

Normalmente en estos medidores el shunt se conecta en el polo negativo en serie con la carga en el que precisamente en ambos extremos conectaremos los hilos de medición siguiendo el esquema siguiente

Este tipo de multímetros DC 4 en 1 suelen tener una precisión de medición de grado 1.0, combinando la medición de voltaje, corriente, potencia y energía en un combo, súper compacto y liviano que puede ser portátil y fácil de usar. También suelen tener una función de alarma mostrando el voltaje parpadeando la luz de fondo simultáneamente si el voltaje va más allá del umbral de alarma que se puede establecer si es necesario( el rango va desde 6 a los 90v ).

Además estos instrumentos almacenan automáticamente los datos de la última prueba de modo que cuando se apagan el valor energético se puede restablecer por una pulsación corta el botón de función en segundos.

En concreto Con este medidor, este medidor, puede medir voltios, amperios, vatios y energía individualmente contando con un shunt de 100 A / 75 mV, adecuada para mediciones de gran alcance . Cuenta con una pantalla Digital Súper Grande de 51x30mm de LCD azul para mostrar la tensión, corriente, potencia y la energía. puede medir voltaje 6.5V - 100V DC, amperios 0.0A - 100A y vatios 0.0w - 10Kw.

Si tiene dudas sobre su uso en este video podemos ver el medidor en funcionamiento usando precisamente est para monitorizar la carga de nuestro conjunto de 10 supercondensadores

Conclusión

Realmente ya hemos visto como montar los supercondensadores para fabricar un banco de energía de supercondensadores para uso doméstico utilizando placas de protección para ensamblar los condensadores de 2.7V 500F montados en una combinación mixta de serie y en paralelo de forma segura.

El valor total de la capacidad de los 10 supercaps resultante de es de 13.5V ,como hemos calculado es de 200F que traducido a Ampx hora es de 0.75AH .siendo e tiempo de carga promedio para este paquete de unos 8 minutos utilizando un cargador lento comercial tradicional de batería del automóvil.

No nos cansaremos de repetir que las placas de carga son imprescindibles porque protegen los condensadores de daños por sobretensión.

Finalmente en este video podemos ver el montaje de este conjunto y su utilización practica