La importancia de una alta constante dieléctrica en Ultracapacitores de una sola capa

Un dieléctrico es cualquier aislante eléctrico capaz de ser polarizado por un campo eléctrico. Bajo la influencia de un campo eléctrico, la distribución de la carga en el dieléctrico cambia de manera que las cargas positivas se alinean con el campo.

Recolección de energía a través de paneles solares es una tecnología establecida. Sin embargo, aunque los precios han caído enormemente en la última década, existen varios desafíos que impiden su crecimiento. Una de ellas es la infraestructura de la red, que no está bien equipada para hacer frente a la variabilidad de las fuentes de energía renovables, como la energía eólica y la solar, y la otra es el almacenamiento. Aunque existen varias soluciones de almacenamiento, como baterías, condensadores electrolíticos y sistemas de almacenamiento mecánico, todas tienen deficiencias.

Aquí veremos cómo un reciente desarrollo en dispositivos de almacenamiento de energía de estado sólido de una sola capa (SSESD) ofrece una solución. El SSESD incorpora un dieléctrico de alta permitividad con una constante dieléctrica del orden de 16 millones.

Dieléctricos

Un dieléctrico es cualquier aislante eléctrico capaz de ser polarizado por un campo eléctrico. Bajo la influencia de un campo eléctrico, la distribución de la carga en el dieléctrico cambia de manera que las cargas positivas se alinean con el campo. Los tres mecanismos de polarización primaria son:

  • Polarización iónica donde los iones positivos fluyen con el campo y los iones negativos fluyen contra el campo.
  • Polarización orientativa donde el dieléctrico contiene materiales con un momento dipolar permanente, es decir, las moléculas tienen una distribución de carga desigual.
  • Polarización de la interfaz, donde las cargas móviles libres dentro del material migran a la interfaz dieléctrica/electrodo; las cargas positivas se mueven al electrodo negativo y las cargas positivas al electrodo negativo.

Condensadores

En su forma más simple, un condensador consiste en una capa dieléctrica intercalada entre dos conductores. Aplicando una tensión a través de los conductores se crea un campo eléctrico. La constante dieléctrica o permitividad (K) del dieléctrico es la relación entre el campo sin el dieléctrico (Eo) y el campo con el dieléctrico (E).

K = Eo/E

En el condensador de una sola capa descrito, cuando se aplica una tensión (V) a través de los conductores, se induce una carga (Q) en el condensador. La relación entre la tensión y la carga se define como la capacitancia (C) del condensador.  

C = Q/V

La cantidad de carga almacenada depende del área (A) de los conductores, de la separación (d) entre ellos y de la constante dieléctrica.

C = K(A/d)

Por lo tanto, para condensadores con dimensiones idénticas, cuanto mayor sea el valor de K, mayor será la cantidad de carga que se puede almacenar.

La energía eléctrica potencial (E) almacenada en un condensador cargado es una función de la capacitancia (C), el voltaje (V) a través de los electrodos. Es equivalente al trabajo realizado al cargarlo y puede ser expresado por:

E = ½ CV2

Densidad de potencia

La densidad de potencia de un condensador es la cantidad de potencia que puede producir para un volumen determinado. Por ejemplo, los condensadores tienen una mayor densidad de potencia que las baterías, ya que son capaces de suministrar energía mucho más rápido que las baterías. Un condensador pequeño puede tener una densidad de potencia mucho mayor que una batería grande, aunque una batería pueda tener una densidad de energía mayor. En otras palabras, la potencia es la tasa de uso de energía. La densidad de potencia de un condensador se expresa normalmente como energía potencial por gramo o por unidad de volumen.

Así como los condensadores pueden suministrar potencia mucho más rápidamente, también pueden recargarse mucho más rápidamente. Volveremos más adelante a la densidad de potencia en relación con el almacenamiento de energía de los paneles solares, pero antes nos referiremos a otros tipos de condensadores, a saber, los ultracondensadores.

Ultracondensadores

Como hemos dicho, cuanto mayor es la constante dieléctrica, mayor es la cantidad de carga que se puede almacenar. La primera generación de supercondensadores se basó en el aumento de la capacidad mediante la introducción de un electrolito. Típicamente, éstos consisten en un ánodo sobre el cual se deposita una fina capa dieléctrica, un electrolito y un cátodo. El electrolito forma el verdadero cátodo. Cuando están polarizados, los iones en el electrolito forman capas dobles con iones negativos atraídos por el electrodo positivo.

En comparación con los condensadores convencionales, los ultracondensadores electrolíticos tienen una densidad de potencia mucho mayor. Una desventaja, sin embargo, es que sólo pueden soportar bajos voltajes antes de que se rompan. Además, el progreso en su desarrollo se ha ralentizado.

Típicamente, la densidad de potencia más alta que se puede alcanzar con este tipo de ultracapacitores es de alrededor de 15 kW/kg.

Dispositivos de almacenamiento de energía de estado sólido de una sola capa

A diferencia de los ultracondensadores electrolíticos, los ultracondensadores de estado sólido no utilizan un electrolito. En su lugar, incorporan un dieléctrico sólido con una constante dieléctrica extremadamente alta. Refiriéndose a las ecuaciones dadas arriba, la energía potencial del condensador es directamente proporcional a la constante dieléctrica. Así, incorporando un super-dieléctrico con una constante dieléctrica del orden de 106 condensadores con densidades de potencia extremadamente altas se puede construir.

Hemos desarrollado tal dieléctrico. Su constante dieléctrica de 16 millones es el valor más alto registrado hasta ahora. Normalmente, una pila de 6.000 capas de 400 cm2 y una tensión de carga de 600 V produciría 85 kWh y una densidad de potencia de 7,78 kW/kg.

Tiempo de carga

Una gran ventaja de SSESD sobre los ultracondensadores electrolíticos es el tiempo de carga. El tiempo de carga se rige por la tensión de alimentación y la resistencia en serie equivalente (ESR) del condensador. El ESR es complejo y está determinado por una serie de factores, entre los que se incluyen los materiales utilizados y la construcción mecánica. En un ultracapacitador convencional, la ESR es relativamente alta, aunque los ultracapacitadores tipo polímero pueden construirse con una ESR más baja, pero aún así sustancialmente más alta que la SSESD. Los tiempos de carga típicos van de 1 a 10 segundos.

En el caso de nuestro SSESD, la carga se almacena en la interfaz dieléctrica/metal. Los tiempos de carga de la ESR son mucho más cortos y rápidos. Actualmente, estamos viendo tiempos de carga para varias capas de menos de un segundo.

Energía solar

El objetivo actual de la energía renovable es obtener un tercio de la energía total a partir de recursos renovables para 2020. Es muy posible que no alcancemos ese objetivo a menos que se desarrollen tecnologías mejoradas.

La conversión de la energía solar en energía eléctrica es una tecnología establecida, y las huertas solares son una visión común en todo el mundo. Aunque existen varias formas de convertir la luz solar en energía eléctrica, las más comunes son las centrales termosolares y las fotovoltaicas.

  • Las plantas de energía solar térmica concentran la radiación solar mediante lentes y espejos y utilizan el calor para mover turbinas de vapor.
  • La energía fotovoltaica aprovecha el fenómeno de que cuando los semiconductores absorben fotones de una frecuencia determinada, la energía excita los electrones de la valencia a la banda de conducción dejando agujeros en la banda de valencia. La célula fotovoltaica consiste en una unión PN, de modo que los electrones se mueven hacia el lado N y los orificios hacia el lado P. Cuando se forma un circuito entre los dos lados, la corriente eléctrica fluye y se puede utilizar para alimentar una carga.

En este caso, nos centramos en la energía fotovoltaica y en cómo, en combinación con los ultracapacitores y, en particular, con los SSESD, proporcionan una solución óptima para la generación de energía renovable.

Desafíos a los que se enfrenta la generación de energía solar

En grandes partes del mundo, la energía solar puede contribuir en gran medida a la red, pero persisten problemas importantes. La energía solar es intermitente; cuando el sol brilla la energía solar puede contribuir a la red, pero cuando aparece una nube esa contribución se reduce sustancialmente. Este efecto de encendido/apagado puede conducir a la inestabilidad de la red y, para superarlo, a menudo se requieren fuentes de energía alternativas para que se activen cuando caen los niveles de energía solar.

Para evitar esto, se requiere alguna forma de almacenamiento de energía para igualar el suministro. Varias soluciones son posibles incluyendo baterías de iones de litio y de plomo, volantes de inercia, condensadores electrolíticos y ultracondensadores. Sin embargo, consideraciones energéticas específicas sugieren que sólo las baterías de iones de litio, los volantes de inercia y los ultracondensadores son opciones realistas.

Otra consideración es la vida. Por lo menos 10.000 ciclos y una vida útil mínima de 10 años es un requisito típico. Esto elimina las baterías de iones de litio, dejando sólo volantes y ultracapacitores. Un problema con los volantes de inercia es que deben construirse bajo tierra y requieren una inversión sustancial, mientras que los ultracapacitores son una solución mucho más sencilla. Además, los ultracondensadores no tienen piezas móviles y requieren muy poco mantenimiento.

SSESD para la captación de energía de paneles solares

Como hemos demostrado, los SSESD con altas constantes dieléctricas ofrecen muchas ventajas sobre los ultracondensadores convencionales. Ofrecen mejores densidades de potencia, tasas de carga más altas y tienen una ventaja potencial de costo. La integración con paneles solares es fácil y proporciona una solución inmediata a la intermitencia de la energía solar incluso a nivel de panel.

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UltraCap Energy Ltd.

UltraCap Energy Ltd se ha formado con el objetivo de desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía respetuosos con el medio ambiente o"baterías". Con un 60% de desarrollo, estos dispositivos revolucionarían la forma en que se almacena y transporta la energía eléctrica. Con sólo 4 minutos de carga, un vehículo eléctrico que utilice nuestra batería podrá conducir hasta 480 kilómetros superando con creces las actuales baterías de iones de litio de carga lenta.

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