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Supercondensatori di potenza

Moduli con supercondensatori

I supercondensatori rappresentano una soluzione molto valida per accumulare e scaricare velocemente molta energia con elevata efficienza e per un alto numero di cicli. In generale i supercondensatori riescono ad accumulare molta piu' energia rispetto ad un condensatore classico con le stesse dimensioni, almeno 10 volte tanto o anche 100 volte. Di fatto possono essere considerati una via di mezzo tra un condensatore elettrolitico ed un accumulatore elettrochimico, in quanto come questi non hanno un dielettrico solido.

Ci sono diverse tecnologie per realizzare componenti in grado di accumulare energia elettrica piu' velocemente rispetto ad una batteria, utilizzando la pseudocapacitanza oppure l'effetto EDLC (Electric Double Layer Capacitance) oppure una combinazione dei due principi ottenuta in un supercondensatore ibrido.

Qui ci sono altre informazioni sulle diverse tipologie di supercondensatori: http://en.wikipedia.org/wiki/Pseudocapacitor

Un singolo supercondensatore di tipo double layer e' formato da due avvolgimenti di alluminio mantenuti a distanza estremamente ravvicinata, meno di un nanometro, e sfrutta l'effetto “doppio strato” che non comporta reazioni chimiche. Invece i supercondensatori a pseudocapacitanza oppure ibridi sfruttano una reazione chimica (redox).

Mentre un condensatore elettrolitico puo' avere una tensione di lavoro di molte centinaia di volt, i supercondensatori e pseudocondensatori possono lavorare solo a pochi volt, attualmente a non piu' di 6 V. Come una batteria elettrochimica e' composta da molte celle in serie, così un modulo di supercondensatori contiene diversi elementi in serie o in serie/parallelo per i poter disporre di moduli a tensioni piu' utili per i diversi impieghi previsti.

L'immagine qui sotto (per cortesia di Maxwell) mostra una delle varie versioni di moduli che raccolgono alcune decine di supercondensatori in un'unica custodia, facile da gestire, simile nella forma a quella di una batteria.

Tale modulo comprende anche un BMS (Battery Management System) veloce con SOC dinamico.

Modulo con supercondensatori

Modulo con supercondensatori

Per approfondire puo' essere utile questa pagina: http://www.mpoweruk.com/bms.htm

Riempire i buchi di tensione di rete

Da molti decenni si cercano soluzioni che possano garantire l'erogazione continua di potenza elettrica a carichi importanti, anche quando viene a mancare la tensione di rete. Una soluzione adottata spesso e' quella dell'adozione di un gruppo di continuita' (UPS) a batterie, ma questa soluzione garantisce l'erogazione solo fino a quando dura la carica delle batterie.

Tra i sistemi attualmente adottati ci sono i volani classici accoppiati ad un generatore elettrico ed eventualmente ad un motore endotermico. Si tratta di una soluzione che ha una certa validita', ma che ha anche diversi difetti come la necessita' di manutenzione, la rumosita', il rendimento non ottimale del sistema che deve essere sempre mantenuto in funzione col volano in rotazione.

Dagli anni '90 sono stati utilizzati gli SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), dei container contenenti un sistema di accumulo di energia in un nucleo magnetico tenuto in condizioni di superconduttivita' ed un inverter, in grado di erogare qualche MW per una frazione di secondo. Per approfondire: http://www.mmmm.it/doc/A2.pdf

Dall'inizio degli anni duemila si sono diffusi i supervolani, volani levitanti su cuscinetti magnetici racchiusi in un contenitore sotto vuoto, che hanno la caratteristica di poter erogare una quantita' di energia nell'ordine del chilowattora in un tempo di pochi secondi e di potersi ricaricare nuovamente entro poche decine di secondi. Per approfondire: http://www.mmmm.it/doc/A1.pdf

Container stabilizzatore per microgrid con supercondensatori

Container stabilizzatore per microgrid con supercondensatori

Oggi per fornire a carichi importanti l'energia sufficiente a superare un buco di tensione in attesa dell'erogazione da parte del gruppo elettrogeno, c'e' a disposizione una soluzione molto piu' elegante rispetto a tutte le altre finora esaminate.

Si tratta di container con supercondensatori e inverter, progettati per fornire molta energia attiva per alcune decine di secondi. Questi sistemi in container sono adatti per potenze da 200 kW in su e usano moduli di supercondensatori come elementi primari per l'accumulo energetico. I moduli sono collocati su robuste scaffalature con un facile accesso per l'ispezione e sono collegati ad un sistema di supervisione rapido che garantisce il corretto utilizzo dell'energia durante le rapide fasi di scarica e di ricarica, senza sovratensioni locali che metterebbero immediatamente fuori uso il sistema.

L'inverter provvede a convertire la tensione continua presente sui supercondensatori in una terna di tensioni alternate, compatibile con le tensioni rapidamente variabili presenti durante il transitorio e con le forme d'onda che in quella situazione spesso non sono sinusoidali.

Struttura di un container

Struttura di un container

Per la massima flessibilita' nel dimensionamento, tutti le parti del sistema sono modulari. I moduli di supercondensatori sono organizzati in serie/parallelo e sono collocati su scaffali. Gli inverter sono collocati in armadi strutturati, con un fronte standardizzato largo 600 mm e con una profondita' di 800 mm.

Struttura di un container

Struttura di un container

La struttura modulare del sistema permette di realizzare anche altre configurazioni, come gli STATCOM e gli accumuli con batterie. Per applicazioni particolari e' possibile fornire dei container che contengono un sistema multifunzionale con supercondensatori e batterie agli ioni di litio come dispositivi per l'accumulo di energia attiva, condensatori e induttori come filtri e STATCOM per la fornitura di energia reattiva e per la compensazione delle armoniche.

Vista della struttura di due container da 40

Vista della struttura di due container da 40' con storage

I sistemi di compensazione dei buchi di rete brevi possono essere usati anche su impianti a media tensione, interponendo un trasformatore adattatore. Il sistema inietta tensione nel tratto di linea da proteggere, quindi serve aggiungere una induttanza trifase che si opponga al passaggio di energia dal sistema a supercaps verso la rete di alimentazione, lasciando invece libero il tratto a valle che verrà quindi compensato.

La convenienza economica di questa soluzione dipende dal valore della produzione o del servizio svolto, per produzioni di elevato valore in zone con scarsa qualità dell'energia il ROI può essere anche molto breve, anche meno di un anno.

Altre informazioni tecniche su questa soluzione si trovano qui: http://www.axu.it/fq Per conoscere meglio le competenze e la produzione di Freqcon GmbH, visitare questa pagina.

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Commenti e note

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di ,

Molto interessante...

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di ,

eAlucarD, questo e' il mio blog e tratta di supercondensatori di potenza, c'e' il forum per discutere altri argomenti, come quello che hai linkato.

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di ,

Ottimo articolo che ne pensi di : http://propakistani.pk/2013/05/21/18-years-old-student-invents-a-device-to-charge-cell-phone-in-20-seconds/ ?

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