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Diseño de un sistema para la caracterización de supercondensadores Autor: Jorge Javier Martín Carreño Resumen: Durante este último siglo la demanda energética ha experimentado un crecimiento exponencial, ésta es cubierta fundamentalmente con recursos convencionales limitados y de gran impacto ambiental que intentan sustituirse paulatinamente por otros obtenidos de fuentes renovables, de menor impacto ambiental con un gran inconveniente: la discontinuidad de la integración de las fuentes de energía renovables, problema que abre una importante línea de estudio en los dispositivos de almacenamiento de energía, los cuales permiten mantener el equilibrio entre la demanda energética y la generación de energía a partir de fuentes de energía renovables. La creciente demanda los mismos genera un desarrollo significativo en el campo de los supercondensadores, dispositivos electroquímicos capaces de sustentar una densidad de energía inusualmente alta en comparación con los condensadores convencionales, presentando una capacidad miles de veces mayor que la de los condensadores electrolíticos de alta capacidad. Los supercondensadores se caracterizan por soportar un tiempo de vida considerablemente largo, proporcionando una respuesta rápida durante ciclos de carga y descarga, desarrollando una potencia mayor que las baterías. Los condensadores eléctricos de doble capa (EDLC, siglas en inglés), no tienen ningún dieléctrico en general, éstos aprovechan los fenómenos de la doble capa eléctrica. En la doble capa, el espesor efectivo del "dieléctrico" es excesivamente delgada, y debido a la naturaleza porosa del carbono, el área de superficie es extremadamente alta, lo que se traduce en una muy alta capacitancia. En general, cuando dos fases diferentes entran en contacto unos con otros, cargas positivas y negativas se establecen en orden en la frontera. En cada interfaz existe un conjunto de partículas cargadas y cargas inducidas. Esta matriz se conoce como eléctrico de doble capa. La alta capacitancia de un EDLC surge de la carga almacenada en la interfaz cambiando campo eléctrico entre el ánodo y los cátodos. Existe una amplia variedad de aplicaciones para los EDLCs y son los siguientes: energía de reserva, automóviles híbridos, apoyo energético, almacenamiento de energía y sistemas de transferencia de potencia, entre otros. Los condensadores electroquímicos de doble capa o EDLCs se clasifican atendiendo a diferentes criterios. Éstos principalmente son: en función del electrodo empleado, el electrolito utilizado y el diseño de la celda considerado. Para realizar el análisis del comportamiento de los supercondensadores existen varios métodos básicos. Estos métodos son la carga y descarga a corriente constante, el ciclo de potencia constante, la voltametría cíclica y la espectroscopia de impedancia electroquímica, estos métodos y fenómenos como la auto‐carga, auto‐descarga los clasificaremos en tres tipos: Caracterización frecuencial, dinámica y energética. Los ensayos realizados en este trabajo están recogidos en normas aplicables y son empleados para la medida de la capacidad, resistencia interna, densidad de energía, densidad de potencia, auto‐descarga y recuperación de energía. Este trabajo se va a centrar en la medida de la capacidad y de la resistencia equivalente serie de unos EDLCs realizando los métodos definidos en dichas normas, centrándonos en el método de carga‐descarga a corriente constante definido por la norma EN 62391‐1:2006. Para la elaboración de este trabajo de investigación se establecieron unas características que debe cumplir el sistema:El dispositivo tiene que ser capaz de caracterizar el comportamiento de supercondensadores en diferentes ensayos de tal forma que con él se puedan obtener las principales características de los supercondensadores como la capacidad, resistencia serie equivalente, etc; Los parámetros del ensayo serán configurables a través de una interfaz gráfica de usuario (GUI, siglas en inglés): Tiempos, tensiones y corrientes de carga y descarga, número de ensayos, etc.; El sistema debe ser capaz de caracterizar supercondensadores del orden de los 5V de tensión nominal y con un rango de corriente que permita realizar correctamente los ensayos. El dispositivo diseñado tiene cuatro partes fundamentales: Sistema de control y adquisición de datos: Se encarga de almacenar continuamente diferentes parámetros del supercondensador y de analizarlos en tiempo real con el fin de actuar sobre el sistema de potencia. El sistema proporciona una solución de medidas potente, flexible y rentable en comparación con las medidas tradicionales; Sistema de potencia: Está encargado de alimentar al supercondensador de forma que pueda operar correctamente; Transductores: Su misión en el sistema es el de transformar o convertir una pequeña manifestación de energía de entrada, en otra diferente a la salida. Los dividimos en actuadores y sensores, ambos se comunican con el Sistema de control y adquisición de datos. El cometido de los actuadores es de generar cambios en el control del sistema de potencia, sin embargo, el cometido de los sensores es el de evaluar continuamente el estado de los parámetros del supercondensador a caracterizar, de tal forma que exista una realimentación que cierre el ciclo y permita el correcto funcionamiento del dispositivo; Supercondensador: Es el objeto de estudio de este dispositivo, para la correcta caracterización del mismo, se tiene que operar con él dentro de unos rangos de diferentes parámetros de tal forma que no se generen errores imprevistos en las medidas y/o riesgo de la integridad del mismo. El dispositivo diseñado es capaz de realizar cargas y descargas a tensión constante y a corriente constante, además realiza medidas simultáneas de la tensión y la corriente en bornes del EDLC con una tolerancia de error de ± 0,01 % para el caso de la medida de la tensión y de una tolerancia de error de ± 0,1 % para la medida de la corriente por lo que satisfacen los requerimientos de la normativa aplicable. Los resultados de los ensayos realizados generan resultados coherentes y la gran mayoría se aproxima a los valores proporcionados por los fabricantes por lo que la validación del sistema es satisfactoria. Se han utilizado, en la medida de lo posible, software de código abierto, como son los IDE de arduino y processing y la placa Arduino Yún, considerada como open‐Hardware. El software para el análisis de los datos es Matlab, de MathWorks, es de pago y es muy versátil para el tratado de datos, aun así, se podría realizar la misma labor con Scilab, programa de código abierto, y gratuito, que realiza prácticamente las mismas funciones que Matlab. El diseño del sistema de supercondensadores que se ha realizado en este trabajo podría mejorarse adoptando las siguientes líneas futuras: Aumento de las tensiones máximas y corrientes de carga y descarga máximas con las que trabaja el sistema, así podrian analizarse células de mayor capacidad y realizar los ensayos más rapido; Mejora de la interfaz gráfica de usuario (GUI), añadiendo diferentes ensayos o adaptando los existentes; Creación de un regulador PID para realizar el control de las tensiones en cargas y descargas así como de la corriente a la que se realizan; Creación de otros ensayos diferentes a los normalizados, que permitan calcular diferentes parámetros de los supercondensadores, o que permitan manifestar fenómenos que puedan ser estudiados.